3.2.3 Πρότυπα Ethernet

Το περισσότερο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο επικοινωνίας στα ενσύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών είναι το Ethernet ^[1] , ^[2] . Αναπτύχθηκε από την εταιρεία xerox® στα μέσα της δεκαετίας του ’70 και έγινε δημοφιλές αφότου προτυποποιήθηκε και από άλλες εταιρείες όπως η Digital Equipment Corporation (DEC®) και η Intel®. Ο διεθνής οργανισμός Ι.Ε.Ε.Ε, στα πλαίσια της ομάδας εργασίας 802 για ενσύρματα τοπικά δίκτυα, έκανε επίσημα αποδεκτό το Ethernet ως πρότυπο 802.3 (bus). Ακολούθησαν οι εκδόσεις των προτύπων 802.4 (token bus) και 802.5 (token ring).

Όπως έχουμε ήδη αναφέρει στην ενότητα 2 το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων (επίπεδο 2) του O.S.I. χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα:

• Το υποεπίπεδο ελέγχου λογικής σύνδεσης (Logical Link Control - LLC) που περιγράφεται από το πρότυπο Ι.Ε.Ε.Ε. 802.2. Η βασική λειτουργία του LLC είναι να διαχειρίζεται την μετάδοση των δεδομένων και να εξασφαλίζει την ακεραιότητά τους.
• Το υποεπίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control – MAC). Η βασική λειτουργία του MAC είναι να διαχειρίζεται τις διαδικασίες πρόσβασης στο μέσο καθώς και τις διαδικασίες διευθυνσιοδότησης στο τοπικό δίκτυο.

Κάθε ένα από τα πρότυπα 802.3, 802.4 και 802.5 που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια υλοποιούν με διαφορετικό τρόπο τις λειτουργίες στο υποεπίπεδο MAC, αφού περιγράφουν το κάθε ένα διαφορετική μέθοδο πρόσβασης στο μέσο.

3.2.3.1 Πρότυπο πρόσβασης στο μέσο Ι.Ε.Ε.Ε. 802.3

Το πρότυπο 802.3 περιγράφει το πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο φυσικό μέσο, για τοπικά δίκτυα τοπολογίας αρτηρίας καθώς και τις υπηρεσίες του υποεπιπέδου MAC προς το υποεπίπεδο LLC. Το βασικό χαρακτηριστικό της τοπολογίας αρτηρίας είναι ότι όλοι οι σταθμοί έχουν πρόσβαση στο μέσο και μπορούν να μεταδώσουν δεδομένα οποιαδήποτε στιγμή. Αυτό όμως έχει σαν αποτέλεσμα την πιθανότητα δύο τουλάχιστον σταθμοί να επιχειρήσουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα δεδομένα εισάγοντας στο κανάλι σήματα ίδιας συχνότητας με αποτέλεσμα αυτά να αλληλεπιδράσουν και το ένα να προκαλέσει βλάβη στο άλλο. Σε αυτή τη περίπτωση τα σήματα που θα φθάσουν στους σταθμούς του δικτύου θα είναι μη αναγνώσιμα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται σύγκρουση (collision). Για να αποτρέψει τις συγκρούσεις το πρότυπο 802.3 χρησιμοποιεί ένα τρόπο πρόσβασης που είναι γνωστός και ως μέθοδος «Πολλαπλής Προσπέλασης με Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων» (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD).

3.2.3.1.α Τρόπος λειτουργίας του πρότυπου Ι.Ε.Ε.Ε. 802.3

Μέθοδος πρόσβασης στο μέσο CSMA/CD: Η μέθοδος αυτή σκοπό έχει να δώσει τη δυνατότητα σε όλους τους σταθμούς να χρησιμοποιήσουν το μέσο μετάδοσης (πολλαπλή πρόσβαση – multiple access), μειώνοντας στο ελάχιστο τις συγκρούσεις καθώς και τις επιπτώσεις από αυτές. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο (CSMA/CD), όσοι σταθμοί εργασίας είναι ενεργοί και συνδέονται στο ίδιο φυσικό μέσο πρέπει να «ακούσουν - ακροαστούν» το μέσο, δηλαδή το καλώδιο για να εντοπίσουν μήπως κάποιος άλλος σταθμός μεταδίδει. Αυτό γίνεται μέσω μιας ειδικής ηλεκτρονικής διάταξης η οποία ανιχνεύει την ύπαρξη φέροντος σήματος στο καλώδιο (ακρόαση φέροντος – carrier sense). Σε περίπτωση που το μέσο είναι απασχολημένο, ο σταθμός που θέλει να μεταδώσει δεδομένα θα αναγκαστεί να παραμείνει σε αναμονή, μέχρι να ελευθερωθεί το μέσο. Όταν το μέσο ελευθερωθεί τότε ο σταθμός εργασίας αρχίζει την μετάδοση των δεδομένων του. Σε περίπτωση που ελευθερωθεί το μέσο, και υπάρξουν ταυτόχρονα και άλλοι σταθμοί που θέλουν να μεταδώσουν δεδομένα, τότε δημιουργείται το φαινόμενο της σύγκρουσης. Οι σταθμοί εργασίας που συμμετέχουν σε αυτήν την ταυτόχρονη εκπομπή, αντιλαμβάνονται την σύγκρουση (ανίχνευση σύγκρουσης – collision detection) και μεταδίδουν ένα σύντομο μήνυμα, που αναφέρει το γεγονός και σταματούν να εκπέμπουν. Οι σταθμοί εργασίας περιμένουν και έπειτα από κάποιο ψευδοτυχαίο τυχαίο χρονικό διάστημα ξαναρχίζουν την μετάδοση.

3.2.3.1.β Υλοποιήσεις Ι.Ε.Ε.Ε. 802.3

Με την πάροδο του χρόνου, δημιουργήθηκαν και κάποιες παραλλαγές του προτύπου ΙΕΕΕ 802.3 που προέκυψαν από τις ανάγκες κάλυψης διαφόρων συνδυασμών φυσικών μέσων μετάδοσης και ρυθμών δεδομένων. Για την ονομασία κάθε παραλλαγής χρησιμοποιείται μία κωδικοποίηση σύμφωνα με την οποία κάθε όνομα είναι της μορφής ταχύτητα – ζώνη – μέσο μετάδοσης ή απόσταση. Έτσι για παράδειγμα το πρότυπο 10 Base-T αναφέρεται σε δίκτυο Ethernet ταχύτητας 10 Mbps που η μετάδοση γίνεται χρησιμοποιώντας βασική ζώνη ^[3] (base band), ενώ το μέσο μετάδοσης είναι καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών.

• Ethernet (10 Mbps). Υπάρχουν διάφορα πρότυπα για το Ethernet τα οποία διαφοροποιούνται κυρίως από το μέσο μετάδοσης. Τα πρότυπα 10 Base 2 και 10 Base 5 χρησιμοποιούν ως μέσο μετάδοσης ομοαξονικό καλώδιο με μέγιστο μήκος 200 και 500 μέτρα αντίστοιχα. Το πρότυπο 10 BASE-T χρησιμοποιεί για τη μετάδοση χάλκινο καλώδια συνεστραμμένων ζευγών με μέγιστη απόσταση 100 μέτρα, ενώ το πρότυπο 10 Base-F(L) τις οπτικές ίνες.
• Fast Ethernet (100 Mbps). Το Fast Ethernet υποστηρίζει ταχύτητες 100 Mbps χρησιμοποιώντας ως μέσο μετάδοσης καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών ή οπτικές ίνες. Το πρότυπο για το Fast Ethernet που έχει επικρατήσει ^[4] είναι το 100 Base-TX, στο οποίο το μέσο μετάδοσης είναι καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών κατηγορίας 5 (cat 5) και άνω, με μέγιστο μήκος καλωδίου 100 μέτρα. Για την επικοινωνία είναι απαραίτητα μόνο τα δύο ζευγάρια αγωγών (ένα για αποστολή δεδομένων -Τ-  και ένα για λήψη δεδομένων -R-) ^[5] . ^[6] Το πρότυπο 100 BASE-FX χρησιμοποιεί σαν μέσο μετάδοσης οπτικές ίνες. Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, κάθε προσαρμογέας δικτύου (κάρτα δικτύου) που χρησιμοποιείται για σύνδεση στο δίκτυο πρέπει να υποστηρίζει αυτόματη ανίχνευση της ταχύτητας που μπορεί να υποστηρίξει η συσκευή που είναι συνδεδεμένη στην άλλη πλευρά του καλωδίου και στη συνεχεία εάν απαιτείται χρειάζεται να μεταβάλει την ταχύτητα στα 10 Mbps (λειτουργία auto-negotiation).
• Gigabit Ethernet (1 Gbps), Το Gigabit Ethernet είναι βελτίωση του Fast Ethernet και το πρότυπο που έχει επικρατήσει είναι το 1000 BASE-T. Το πρότυπο αυτό χρησιμοποιεί καλώδια συνεστραμμένων ζευγών κατηγορίας 5 και άνω, όπου για τη σύνδεση χρησιμοποιούνται και τα τέσσερα ζευγάρια αγωγών. Κάθε ζεύγος μεταφέρει δεδομένα προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα να δημιουργείται η μέγιστη δυνατή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων προς όλες τις κατευθύνσεις. Ο τρόπος σύνδεσης των ζευγών είναι τέτοιος που επιτρέπει σε μια κάρτα Gigabit Ethernet την ανίχνευση της ύπαρξης κυκλώματος Fast Ethernet στην άλλη άκρη του καλωδίου και τις επιτρέπει να αλλάξει αυτόματα το πρωτόκολλό της σε 100 BASE-TX (λειτουργία auto-negotiation). Για χρήση οπτικών ινών σαν μέσο μετάδοσης το πρότυπο είναι το 1000 BASE-FX.
• 10 Gigabit Ethernet (10 Gbps ή 10 GigE), Το πρότυπο 10 Gigabit Ethernet έχει αναπτυχθεί για να παρέχει πλήρεις αμφίδρομες συνδέσεις από σημείο σε σημείο (point-to-point). Το πρότυπο δεν έχει σχεδιαστεί για σύνδεση σταθμών εργασίας, αλλά για την σύνδεση μεταγωγέων (switches) μεταξύ τους. Το μέσο μετάδοσης είναι κατά κύριο λόγο οπτικές ίνες, ενώ για μικρές αποστάσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί και καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών κατηγορίας 6 και άνω.

Εκτός από τα παραπάνω πρότυπα υπάρχουν και πρότυπα τα οποία χρησιμοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις όπως είναι οι συνδέσεις στα κέντρα δεδομένων (data centres). Τέτοια πρότυπα είναι το 40 Gigabit Ethernet, το 100 Gigabit Ethernet, καθώς και το 400 Gigabit Ethernet το οποίο πρόσφατα αξιοποιήθηκε ^[7] .

3.2.3.2 Πρότυπο πρόσβασης στο μέσο Ι.Ε.Ε.Ε. 802.4

Το πρότυπο 802.4 (token bus) είναι ένα δημοφιλές πρότυπο για τοπικά δίκτυα το οποίο αποσκοπεί να μηδενίσει τις συγκρούσεις μεταξύ των σταθμών που εμφανίζονται στο 802.3. Βασική του αρχή είναι η διαβίβαση σχετικής άδειας «διακριτών» στους σταθμούς που επιθυμούν να εκπέμπουν. Σε ένα τέτοιο δίκτυο, το φυσικό μέσο είναι ένας δίαυλος ή ένα δέντρο και δημιουργείται ένας «λογικός δακτύλιος» καθώς ή άδεια εκπομπής μεταβιβάζεται διαδοχικά σε όλους τους ενδιαφερόμενους σταθμούς. Κάθε σταθμός γνωρίζει τη διεύθυνση του σταθμού «πριν» και «μετά»  από αυτόν, σύμφωνα με τη σειρά στο λογικό δακτύλιο. Ένας σταθμός μπορεί να μεταδώσει δεδομένα μόνο όταν έχει το διακριτικό. Η λειτουργία ενός του προτύπου 802.4 είναι παρόμοια με αυτή του προτύπου 802.5 που θα δούμε αναλυτικά στη συνέχεια.

3.2.3.3 Πρότυπο πρόσβασης στο μέσο Ι.Ε.Ε.Ε. 802.5

Το πρότυπο 802.5 περιγράφει ένα δίκτυο τοπολογίας δακτυλίου όπου για την πρόσβαση στο μέσο χρησιμοποιείται ένα κουπόνι (token) διέλευσης. Το κουπόνι διέλευσης είναι ένα πακέτο με μέγεθος τρία bytes και ο σταθμός που το έχει στην κατοχή του έχει τη δυνατότητα να μεταδώσει δεδομένα. Στην ουσία το δίκτυο αποτελείται από ένα αριθμό συνδέσεων σημείου προς σημείο μεταξύ των σταθμών που δημιουργούν έναν κλειστό βρόχο (δακτύλιο).

Η τεχνολογία του δακτυλίου με κουπόνι (token ring) αναπτύχθηκε από την I.B.M. την δεκαετία του 1980 ενώ αργότερα έγινε πρότυπο από την I.E.E.E. [8] με την ονομασία 802.5. Παρ' όλο που τα δίκτυα I.E.E.E. 802.5 ανήκουν στην τοπολογία του δακτυλίου, η υλοποίησή τους γίνεται ως αστέρας χρησιμοποιώντας ως φυσικό μέσο καλώδια συνεστραμμένων ζευγών ή οπτικές ίνες. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο μπορεί να είναι 4 Mbps ή 16 Mbps και οι 250 κόμβοι είναι το ανώτατο όριο ανά δακτύλιο.

3.2.3.3.α Τρόπος λειτουργίας του πρότυπου Ι.Ε.Ε.Ε. 802.5

Η λειτουργία του προτύπου I.E.E.E 802.5 βασίζεται στη χρήση κουπονιού διέλευσης (δακτύλιος με κουπόνι – token ring). Με τη χρήση του κουπονιού υλοποιείται ο έλεγχος πρόσβασης στο μέσο και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κάθε χρονική στιγμή μόνο ένας κόμβος να μεταδίδει δεδομένα ^[9] . Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι δεν υπάρχουν συγκρούσεις. Η διαδικασία της λειτουργίας των δικτύων δακτυλίου με κουπόνι δίδεται παραστατικά στην εικόνα 3.2.9.

 

Εικόνα 3.2.9 Σχηματική αναπαράσταση τρόπου λειτουργίας του δικτύου IEEE 802.5

Ένα ειδικό πλαίσιο, το κουπόνι (token), μεταδίδεται από κόμβο σε κόμβο στον δακτύλιο. Όταν ένας κόμβος έχει δεδομένα προς μετάδοση, περιμένει πότε θα λάβει το κουπόνι. Μόλις το λάβει, το δεσμεύει και το αντικαθιστά με μία άλλη ειδική ακολουθία από bits που αντιπροσωπεύει την αρχή ενός πλαισίου δεδομένων, ενώ ακολουθεί η μετάδοση του υπόλοιπου πλαισίου. Η δέσμευση και η απομάκρυνση του μοναδικού κουπονιού από τον κόμβο που μεταδίδει δεδομένα στο δίκτυο, εξασφαλίζει τη μοναδικότητα της προσπέλασης στο φυσικό μέσο. O σταθμός που έχει στην κατοχή του το κουπόνι μπορεί να μεταδώσει δεδομένα για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Όταν τελειώσει ο χρόνος που δικαιούται να μεταδώσει ή όταν τελειώσουν τα προς μετάδοση δεδομένα, τότε ανασυνθέτει το κουπόνι και το στέλνει στον επόμενο στη σειρά κόμβο. Ο κόμβος που παραλαμβάνει το κουπόνι αν έχει δεδομένα προς μετάδοση τα μεταδίδει, αν όχι μεταδίδει αμέσως το κουπόνι στον επόμενο στη σειρά κόμβο. Η διαδικασία συνεχίζεται συνεχώς με το κουπόνι να μεταδίδεται συνεχώς «κυκλικά» στον δακτύλιο.

3.2.3.3.β Διαχείριση δικτύων δακτυλίου

Η διαχείριση των δικτύων δακτυλίου με κουπόνι διέλευσης είναι κεντρική. Σε κάθε δακτύλιο υπάρχει ένας κόμβος που παίζει το ρόλο του επόπτη, και είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας του δακτυλίου. Ο κόμβος - επόπτης επιβεβαιώνει ότι υπάρχει κουπόνι που κυκλοφορεί στο δίκτυο, ενώ φροντίζει να αποσύρει από το δίκτυο κατεστραμμένα ή «ορφανά» πλαίσια. Ένα ορφανό πλαίσιο εμφανίζεται στην περίπτωση που ένας κόμβος καταρρεύσει, πριν προλάβει να αποσύρει το πλαίσιο που μετέδωσε. Σε αυτή την περίπτωση, ο επόπτης του δακτυλίου πρέπει να παρέμβει έτσι ώστε το λεγόμενο ορφανό πλαίσιο να μην εκτελεί συνεχώς κύκλους. Στην περίπτωση που ο επόπτης εντοπίσει ένα πλαίσιο που δεν έχει την προκαθορισμένη μορφή του I.E.E.E. 802.5, τότε θεωρεί αλλοιωμένο το πλαίσιο και το απομακρύνει, εισάγοντας ένα νέο κουπόνι στο δίκτυο. Επίσης, αν ένα πλαίσιο εντοπιστεί ότι έχει εσφαλμένα δεδομένα κατά την ανίχνευση λαθών τότε επίσης απομακρύνεται από τον δακτύλιο ^[10] . Κάθε κόμβος που διασυνδέεται σ’ ένα δακτύλιο με κουπόνι έχει, εκ κατασκευής, εποπτικές δυνατότητες. Για να δηλώσει την παρουσία του ο κόμβος επόπτης στέλνει ανά τακτά διαστήματα ειδικά πλαίσια ελέγχου (Active Monitor Present – A.M.P.), τα οποία υποδηλώνουν την παρουσία του. Η απουσία πλαισίων A.M.P. υποδηλώνει την κατάρρευση του επόπτη ^[11] .