มาตรฐาน IEEE 802.3

มาตรฐาน IEEE 802.3

หลักการพื้นฐานและความเป็นมา

มาตรฐาน IEEE 802.3 ออกแบบมาสำหรับระบบเครือข่ายเฉพาะบริเวณแบบ CSMA/CD ต้นกำเนิดของมาตรฐานนี้มาจากระบบอะโลฮ่า (Aloha) ซึ่งได้รับการเพิ่มขีดความสามารถโดยบริษัท Xerox เริ่มมาจากบริษัท Xerox ได้สร้างระบบเครือข่ายเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ 100 เครื่องในบริษัท โดยมีความยาวของเครือข่ายได้ถึง 1 กิโลเมตร และมีอัตราในการส่งข้อมูลถึง 2.94 Mbps ระบบนี้เรียกว่า อีเทอร์เน็ต (Ethernet)

การนำระบบอีเธอร์เน็ตมาใช้งานนั้นประสบผลสำเร็จเป็นอย่างมาก บริษัท Xerox , DEC (Digital Equipment Corporation, Ltd.) และ Intel Corp ได้ร่วมกำหนดมาตรฐานอีเธอร์เน็ตที่ความเร็ว 10 Mbps ซึ่งเป็นพื้นฐานของ 802.3

ข้อแตกต่างที่สำคัญคือ มาตรฐาน IEEE 802.3 ได้กำหนดไว้ สำหรับการสื่อสารแบบ CSMA/CD ทำงานที่ความเร็ว 1 ถึง 10 Mbps บนสายสื่อสารชนิดต่างๆ เช่น กำหนดค่าตัวแปรไว้สำหรับสื่อสารที่ความเร็ว 10 Mbps บนสายโคแอกซ์ (Coaxial ) ขนาด 50 โอ์ห์มเท่านั้น ค่าตัวแปรสำหรับตัวเลือกอื่นๆ ได้รับการกำหนดเพิ่มเติมในภายหลัง

IEEE 802.3 Ethernet

สำหรับมาตรฐาน 802.3 จะอธิบายถึง LAN ทั้งหมดที่ใช้หลักการของ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ที่มีอัตราการส่งข้อมูลตั้งแต่ 1 Mbps ถึง 100 Mbps และใช้สายส่งชนิดต่างๆ นอกจากนี้มาตรฐาน IEEE 802.3 และอีเทอร์เน็ตยังมีบางส่วนของส่วนหัวของข้อมูล (Header) แตกต่างกันบ้าง (ฟิลด์ความยาวของ IEEE 802.3 ถูกใช้บ่งบอกชนิดของ Packet ในมาตรฐานอีเทอร์เน็ต)

ดังนั้นจะเห็นได้ว่ามาตรฐาน IEEE 802.3 จะอธิบายถึง LAN ที่ใช้วิธีส่งข้อมูลแบบ CSMA/CD ส่วนอีเทอร์เน็ตนั้นจะหมายถึงผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งของแลนแบบ IEEE 802.3

LAN แบบนี้ส่งข้อมูลโดยใช้หลักการคล้ายๆกับการสนทนาระหว่างบุคคลหลายคน หากใครต้องการพูดก็สามารถพูดออกมาได้ในจังหวะที่ไม่มีคนอื่นพูด(เงียบ) แต่ก็อาจเป็นไปได้ที่บุคคล 2 คนจะพูดออกมาพร้อมๆกัน ทำให้เกิดการชนกันของเสียงพูด เมื่อเป็นเช่นนั้นทั้งสองคนจะต้องหยุดพูดทันที แล้วรอจังหวะที่จะพูดใหม่อีกครั้ง ซึ่งหากใครพูดก่อนก็จะสามารถพูดได้ และบุคคลอื่นๆจะต้องฟังอย่างเดียว

วิธีการรับส่งข้อมูลของแลน IEEE 802.3 ซึ่งเป็นแบบ CSMA/CD ก็ทำงานในลักษณะเดียวกัน คือ โหนดใดที่ต้องการส่งข้อมูลลงในสื่อกลางการส่งข้อมูล จะตรวจสอบดูสัญญาณในสื่อกลาง ถ้าหากสื่อกลางในการส่งข้อมูลว่างก็จะทำการส่งข้อมูลได้ทันที แต่หากโหนดตั้งแต่ 2 โหนดขึ้นไปส่งข้อมูลลงไปในสื่อกลางพร้อมๆกัน สัญญาณข้อมูลจะเกิดการชนกันขึ้น ทุกๆสถานีจะต้องหยุดการส่งข้อมูลแล้วรอเวลา ซึ่งช่วงเวลาของการรอแต่ละครั้งจะทำการสุ่มขึ้นมา (Random Time) หลังจากหมดเวลารอแล้วก็จะทำการตรวจสอบสัญญาณในสื่อกลางเพื่อส่งข้อมูลลงไปใหม่อีก

เมื่อเกิดการชนกันของสัญญาณข้อมูลแล้ว เวลาจะถูกแบ่งออกเป็นช่องๆ (slots) แต่ละช่องมีช่วงเวลา 51.2 ไมโครวินาที (นั่นคือเวลาสถานีที่ส่งข้อมูลรู้ว่าเกิดการชนกันของข้อมูลหรือไม่ สำหรับความยาวของแลน 2,500 เมตร อัตราการส่งข้อมูล 10 Mbps) หลังจากการชนกันครั้งแรก แต่ละสถานีจะสร้างตัวเลขสุ่ม (Random) ที่มีค่า 0 หรือ 1 (เลขสุ่ม 2^1 ค่า)

สถานีที่ได้ค่า 0 จะส่งข้อมูลออกไปในช่องเวลา 0 และสถานีที่ได้ค่า 1 จะส่งข้อมูลในช่องเวลาที่ 1 หากสองสถานีได้ค่าเลขสุ่มเดียวกันและส่งข้อมูลภายในช่องเวลาเดียวกัน จะเกิดการชนกันอีกครั้ง

หลังจากการชนกันครั้งที่ 2 แต่ละสถานีจะสร้างตัวเลขสุ่มที่มีค่า 0,1,2, หรือ 3 (นั่นคือเลขสุ่ม 2^2 ค่า) แล้วส่งข้อมูลภายในช่องเวลาของตนเอง หากชนกันอีกก็จะสร้างเลขสุ่มจำนวน 2^3 ค่า กล่าวคือหลังจากการชนกัน i ครั้ง แต่ละสถานีก็จะมีการสร้างเลขสุ่มตั้งแต่ค่า 0 ถึง 2^i-1 ค่า และสถานีก็จะส่งข้อมูลภายในช่องเวลาของตนเอง กระบวนการในการแก้ไขการชนกันของข้อมูลแบบนี้เรียกว่า Binary Exponential Back off ซึ่งจะเห็นได้ว่ากระบวนการนี้ทำให้โอกาสในการที่จะเกิดการชนกันของข้อมูลมีน้อยลง เมื่อจำนวนครั้งของการชนกันของข้อมูลมากขึ้น

หลักการพื้นฐานและความเป็นมา

IEEE แบ่ง IEEE 802.3 เป็น 2 กลุ่มคือ baseband และ broadband พิจารณาจากลักษณะของสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งลงไปในสาย

Baseband ใช้สัญญาณแบบ digital สำหรับสื่อสารในสาย มี 5 มาตรฐานคือ 10Base5, 10Base2, 10Base-T, 1Base5 และ 100Base-T

Broadband ใช้สัญญาณแบบ analog สำหรับสื่อสารในสาย มีมาตรฐานเดียวคือ 10Broad36

IEEE 802.3 Ethernet

การทำงานและหน้าที่ของ MAC

ส่วนประกอบของเฟรมข้อมูลของ Ethernet

Preamble มีความยาว 7 ไบต์ แต่ละไบต์จะมีข้อมูลเหมือนกันหมดคือ “10101010” มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้รับได้มีโอกาสรู้และเทียบสัญญาณนาฬิกาของตนเองกับผู้ส่งให้ตรงกัน

Start of frame มีความยาว 1 ไบต์ (10101011) สำหรับบอกเครื่องรับ ระบุจุดเริ่มต้นของเฟรม โดยไบต์ถัดจากนี้เป็นต้นไป คือ ข้อมูล

การทำงานและหน้าที่ของ MAC

Source address and Destination address คือ ที่อยู่ของผู้ส่ง และที่อยู่ของผู้รับ มีขนาดอย่างละ 6 ไบต์ IEEE มีหน้าที่ในการกำหนดที่อยู่สากล (global address) ซึ่งมีขอบเขตการใช้งานได้ทั่วโลก

Length มีความยาว 2 ไบต์ ใช้บอกความยาวของข้อมูลมูลจริงที่ถูกใส่มาในเฟรมนั้น มีค่าต่ำสุด เป็น 0 ไบต์ และสูงสุดไม่เกิน 1,500 ไบต์ มาตรฐาน 802.3 กำหนดให้ทุกเฟรมจะต้องมีความยาวไม่น้อยกว่า 64 ไบต์ หากข้อมูลจริงมีความยาวไม่ถึง 64 ไบต์ จะใช้ส่วน pad เพิ่มเติม

Pad มีไว้สำหรับเติมข้อมูลหลอก (dummy) เพื่อให้มีขนาดของเฟรมไม่น้อยกว่า 64 ไบต์

Checksum มีขนาด 4 ไบต์ มีไว้สำหรับการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลที่รับได้ ถ้าเกิดการผิดพลาดขึ้นในระหว่างการนำส่งข้อมูลในส่วนนี้จะช่วยให้ตรวจพบความผิดพลาดนี้ได้ เช่น CRC (Cyclic redundancy)

การเชื่อมต่อและชนิดของเครือข่าย Ethernet

คำว่า “Ethernet” นั้นอันที่จริงมีความหมายเกี่ยวข้องโดยตรงกับสายสื่อสาร จากรูป แสดงคุณสมบัติของสายสื่อสาร 4 ชนิด ที่นิยมใช้กันทั่วไป ประเภทของสายสื่อสารที่ใช้กันทั่วไปสำหรับมาตรฐาน 802.3

การเชื่อมต่อและชนิดของเครือข่าย Ethernet

การแบ่งเซกเมนต์ของ Ethernet

ระยะต่างๆ ของการติดตั้งเครือข่าย Ethernet จะขึ้นอยู่กับมาตรฐาน โดยประกอบด้วย

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ระยะห่างระหว่างเครื่อง

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ความยาวเซกเมนต์

<!--[if !supportLists]-->· ความยาวสูงสุด

<!--[if !supportLists]-->· จำนวนเครื่องสูงสุด

การเชื่อมต่อและชนิดของเครือข่าย Ethernet

<!--[if !supportLists]-->· 10Base5: Thick Ethernet

10Base5: Thick Ethernet

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->แต่ละเซกเมนต์ยาวไม่เกิน 500 เมตร

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ความยาวรวมทุกเซกเมนต์ไม่เกิน 2500 เมตร

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->มีจำนวนเครื่องสูงสด 200 เครื่องในแต่ละเซกเมนต์ และทั้งหมดไม่เกิน 1000 เครื่อง

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้สาย RG-8 เป็นสายหลักของเซกเมนต์

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->การต่อไปยังเครื่องใช้ Transceiver ต่อออกจากสายหลัก หรือเรียกอุปกรณ์เหล่านี้ว่า Medium Attachment Unit (MAU)

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้สาย AUI ต่อจาก MAU ไปยังเครื่องคอมพิวเตอร์

10Base2: Thin Ethernet

10Base2: Thin Ethernet

<!--[if !supportLists]-->· แต่ละเซกเมนต์ยาวไม่เกิน 185 เมตร

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้สาย RG-58 เป็นสายหลักของเซกเมนต์

<!--[if !supportLists]-->· การต่อไปยังเครื่องใช้ BNC-T connector และต่อตรงเข้ากับแผ่นวงจรเครือข่ายของเครื่องคอมพิวเตอร์

10Base-T: Twisted-Pair Ethernet

10Base-T: Twisted-Pair Ethernet

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->สายแต่ละเส้นที่ต่อออกจากอุปกรณ์กระจายสัญญาณยาวไม่เกิน 100 เมตร

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้สาย UTP เป็นสายหลักของเซกเมนต์

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->เข้าหัวสายด้วยหัวต่อ RJ-45

1Base5: StarLAN

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->เป็นผลิตภัณฑ์ของ AT&T

<!--[if !supportLists]-->· มีความเร็ว 1 Mbps

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->เพิ่มขนาดของเครือข่ายแบบ Daisy chain

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้สาย UTP

Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]--> เนื่องจากในปัจจุบันมัลติมีเดียได้มีการใช้งานกันมาก จึงมีความต้องการเครือข่ายความเร็วสูงในการเชื่อมโยงคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกัน กลุ่มคณะทำงานของ IEEE จึงตัดสินใจที่จะปรับปรุงมาตรฐาน 802.3 ให้สามารถ รับส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงขึ้น ซึ่งกลายเป็นมาตรฐานที่เรียกว่า 802.3u ซึ่งเรียกกันโดยทั่วไปว่า Fast Ethernet

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->Fast Ethernet อีเทอร์เน็ตรูปแบบหนึ่งที่มีความเร็วสูงถึง 100 Mbps รูปแบบของเฟรมข้อมูล หรือการควบคุมการชนกันของข้อมูลไม่มีการเปลี่ยนแปลงไปจากอีเทอร์เน็ตปกติ เพียงแต่ลดเวลาการส่งข้อมูลของแต่ละบิตจาก 100 นาโนวินาที เป็น 10 นาโนวินาที จึงทำให้อัตราการส่งข้อมูลสูงขึ้น 10 เท่าจากเดิม

Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]--> เป็น Ethernet ความเร็ว 100 Mbps

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->มีขนาดเฟรมน้อยที่สุด 72 Bytes

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->ใช้ Topology แบบ Star

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->มี 3 มาตรฐานย่อย คือ

- <!--[endif]-->100Base-TX ใช้สาย UTP แบบ CAT-5 หรือ STP จำนวน 2 คู่

- 100Base-FX ใช้สายใยแก้วนำแสง มีระยะทางไม่เกิน 2000 เมตร

- 100Base-T4 ใช้สาย UTP แบบ CAT-3 จำนวน 4 คู่

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3g)

<!--[if !supportLists]-->· เป็น Ethernet ความเร็ว 1000 Mbps

<!--[if !supportLists]-->· ใช้ Topology แบบ Star

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->มี 4 มาตรฐานย่อย คือ

- <!--[endif]-->1000Base-T ใช้สาย UTP มีระยะสาย 25 เมตร

- <!--[endif]-->1000Base-CX ใช้สาย STP มีระยะสาย 25 เมตร

- <!--[endif]-->1000Base-SX สัญญาณแสงแบบ Short-wave Laser มีระยะสาย 550 เมตร ใช้สายใยแก้วนำแสงแบบ multimode

- <!--[endif]-->1000Base-LX สัญญาณแสงแบบ Long-wave Laser มีระยะสาย 550 เมตร สำหรับสายใยแก้วนำแสงแบบ multimode และระยะสาย 5000 เมตร สำหรับสายใยแก้วนำแสงแบบ single mode