Какой метод доступа используется в сетях с архитектурой ethernet

Обновлено: 06.07.2024

Стандартизацией технологий локальных сетей занимается Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, или, сокращенно IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers ). Стандарты, разрабатываемые этой организацией, имеют определенную нумерацию.

Группа стандартов, имеющих отношение к локальным сетям, имеет номер 802 – по номеру рабочей группы, которая еще в 80-х годах начала заниматься стандартизацией ЛВС . Сегодня в группу 802 входит множество подгрупп, среди которых можно отметить IEEE 802.3 , занимающуюся разработкой стандартов Ethernet -сетей, использующих метод доступа к среде CSMA/CD .

Технология Ethernet получила свое название благодаря своему создателю – Роберту Меткалфу. Он и его коллеги занимались работой над сетевыми технологиями в одной из лабораторий Xerox больше тридцати лет тому назад.

1.1.1. Общие характеристики сети 100Base-TX, Gigabit Ethernet

В качестве сред передачи данных разные версии Ethernet используют коаксиальный кабель , витую пару и оптоволокно . Сети на коаксиале морально устарели (хотя они все еще существуют), оптоволокно (наилучший по скорости и помехоустойчивости вариант) слишком дорого для широкого распространения, а витая пара стала самой распространенной средой передачи данных для локальных сетей.

Группа спецификаций IEEE 802.3 включает в себя немало стандартов, среди которых мы отметим несколько.

100Base-TX – наиболее актуальный для небольших локальных сетей. Эту технологию называют еще Fast Ethernet или 100 Mbit- Ethernet . Данное наименование может относиться и к другим реализациям Ethernet , но здесь под Fast Ethernet мы подразумеваем именно 100Base-TX .

Пропускная способность такой сети равняется 100 Мбит/с, в качестве среды передачи данных используется витая пара – в частности, для небольших локальных сетей наиболее актуально применение неэкранированной витой пары 5-й категории, так же возможно использование экранированной витой пары.

Gigabit Ethernet – гигабитный Ethernet – локальная сеть с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Оборудование для этого вида Ethernet -сетей пока еще достаточно дорого, хотя вполне доступно. Существуют несколько вариантов Gigabit Ethernet - 1000Base-X, 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX, 1000Base-T. В качестве физической среды передачи данных он может использовать ту же витую пару 5-й категории, что и Fast Ethernet , однако для подобной сети лучше всего подходят оптоволоконные линии связи.

1.1.2. Пропускная способность локальной сети

Пропускной способностью называется скорость передачи данных по линии связи. Единица измерения пропускной способности сети – бит в секунду. Существуют и альтернативные единицы измерения – например – пакет в секунду. Бит, как наименьшая единица информации, может принимать всего два значения – единица или ноль. Современные линии связи позволяют достигать очень высоких скоростей передачи данных и для удобства используют производные единицы измерения скорости – килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и так далее.

"Сетевые" килобиты и мегабиты соответствуют традиционным метрическим величинам, принятым в других отраслях науки. То есть 1 Кбит/с соответствует 1000 Бит/с.

Для многих из нас удобнее работать с обычными "компьютерными" единицами количества информации, чем с метрическими. Для того, чтобы перейти от мегабитов и килобитов к мегабайтам и килобайтам нужно руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, один байт равен восьми битам, а во-вторых, килобайт равен 1024 байтам, мегабайт 1024 килобайтам и так далее. То есть для того, чтобы перевести пропускную способность 100-мегабитной линии связи в мегабайты надо найти количество байтов, соответствующее 100 мегабитам и два раза разделить полученное значение на 1024. Считаем. 100 Мбит/с – это 100 000 000 Бит/с или 12 500 000 Байт/с (100 000 000/8). Теперь переходим к килобайтам в секунду. 12 500 000/1024=12207 Кб/с. Делим полученное значение в килобайтах на 1024 и получаем 11,9 Мб/с. Получается, что 100 Мбит/с – это примерно 12 Мбайт/с.

Говоря о пропускной способности линии связи надо учитывать, что она редко достигает максимальных для какой-либо технологии значения по причинам помех в линиях связи, ошибок в работе оборудования и так далее. Так же надо учитывать, что часть пропускной способности тратится на передачу служебной информации – в результате, например, линия связи с теоретической пропускной способностью в 12 Мбайт/с может передавать полезные данные со скоростью на несколько Мбайт/с меньшей, чем эта величина.

Прежде чем говорить о других свойствах сети, обсудим метод доступа к среде передачи данных , который в ней используется.

1.1.3. CSMA/CD

Выше мы упоминали метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD , который используется в Ethernet -сетях.

CSMA/CD расшифровывается как Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection - метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD используется в сетях с общей средой передачи данных – в случае с Ethernet – это кабель . Все компьютеры, подключенные к сети, могут принимать сигналы друг от друга, но одновременно обмениваться данными могут лишь два компьютера.

Для того, чтобы лучше понять, как же работает метод доступа CSMA/CD , попытаемся представить себе небольшую Ethernet -сеть из 8 компьютеров в виде комнаты, где разместились 8 человек, которые хотят пообщаться. Среда передачи данных – это воздух комнаты, посредством которого распространяются звуки, произносимые людьми. Одновременно могут общаться лишь два человека – если в маленькой комнатке одновременно начнут разговаривать несколько человек – да еще и в полный голос – всем придется туго – разобрать кто что сказал станет довольно сложно. А если в разговор двух людей случайно вклинится еще кто-нибудь – разговора может и не получиться – слова будут заглушены нежданным собеседником, их придется повторять или даже начинать разговор заново. Но в нашей воображаемой комнате существуют правила – двое могут непрерывно общаться лишь определенное время, замолкая после этого и давая возможность поговорить другим.

Точно так же и в случае с CSMA/CD – когда два компьютера общаются, остальные молчат. Когда эти компьютеры замолкают, другие могут начать разговор. Причем, в сети возможны исключительные ситуации – так называемые коллизии. Они случаются, например, если два компьютера одновременно начали передачу данных другим компьютерам. Сигналы в сети смешиваются, и на короткое время в сети возникает "молчание", после которого опять начинается передача данных. Понятно, что если в сети будет неисправная сетевая карта , которая будет непрерывно посылать в сеть сигналы (ее можно сравнить с участником вышеописанной беседы, который без остановки что-то кричит), работа сети будет остановлена.

Это очень упрощенное описание CSMA/CD , которое, однако, дает достаточно полное представление об этом методе доступа к среде и об особенностях работы Ethernet -сети. А теперь давайте рассмотрим еще некоторые характеристики Ethernet -сети.

1.1.4. Ограничения стандарта 100Base-TX

Стандарт 100Base-TX имеет определенные ограничения на структуру сети, построенной в соответствии с ним.

В частности, стандарт вводит ограничение на длину сегмента сети в 100 метров (на самом деле эта длина ограничена 94 метрами, но мы здесь и далее будем использовать круглую цифру 100). То есть, вы можете подключить к коммутатору несколько компьютеров кабелями , длина каждого из которых составляет 100 метров.

В стандарте существует такое понятие, как домен коллизий – сегмент сети, все узлы которого способны распознать коллизию независимо от места в сети, где она произошла. Именно для того, чтобы узлы могли правильно распознавать коллизии, и вводится ограничение на длину кабелей .

1.2. Топологии локальных сетей

Топология – это способ связи нескольких компьютеров в сеть .

Простейшая топология локальной сети – это связь двух компьютеров. Такую сеть можно организовать и по стандартам Ethernet , соединив сетевые карты двух машин особым образом разведенным кабелем .

Итак, простейшая топология – это одна связь , соединяющая два узла сети. На такую топологию похожа кольцевая топология , все узлы которой соединены в кольцо. Данные в такой сети обычно передаются от компьютера к компьютеру в одном направлении. Еще одна топология носит название общая шина . Она свойственна устаревшим Ethernet -сетям, построенным на основе коаксиального кабеля .

В настоящий момент наибольшее распространение получила топология " звезда " (рис. 1.1.) - актуальна она и для Ethernet -сетей. В центре "звезды" находится хаб ( коммутатор , концентратор, повторитель ) от которого отходят провода, соединяющие его с компьютерами.

Звездообразная топология отличается от шинной повышенной надежностью. Если какая-нибудь связь в шинной топологии будет повреждена, то сеть будет разбита на два независимых сегмента. А повреждение кабеля при звездообразной организации сети ведет лишь к отключению от коммутатора одного из компьютеров.

Надо отметить, что коммутаторы (а также маршрутизаторы) могут объединяться, образуя таким образом топологию "иерархическая звезда " - несколько обычных "звезд", соединенных линиями связи.

Существуют и другие топологии . Например, для глобальных сетей характерна ячеистая топология , когда от одного узла сети связи могут идти к нескольким другим. Полный вариант ячеистой топологии – это полносвязная топология – когда каждый из узлов сети имеет интерфейсы для связи со всеми остальными.

Обработку кадров, передаваемых по сети, выполняют сетевой адаптер, устанавливаемый в слот расширения станции, и соответствующий ему драйвер.

поддерживают метод доступа в сети,
формируют и анализируют кадры, передаваемые по сети.

В зависимости от поддерживаемого метода доступа и типа кадра сетевые адаптеры можно разделить на несколько групп: Ethernet, Token Ring, ARCNet, FDDI и др. Сети, где устанавливаются перечисленные адаптеры, имеют те же названия: сети Ethernet, сети Token Ring и т. д. Следует отметить, что рассматриваемые СА поддерживают разные методы доступа и типы кадров, поэтому они не совместимы между собой. Следовательно, на станциях, подключаемых к одному сегменту сети, необходимо устанавливать сетевые адаптеры одного типа.

Ниже рассматриваются методы доступа и кадры для сетей Ethernet, Token Ring, ARCNet и FDDI.

Метод доступа и кадры для сетей Ethernet

все устройства, подключённые к сегменту сети, равноправны, т. е. любая станция может начать передачу в любой момент времени, если передающая среда свободна,
кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сегмента.

Стандарты Ethernet поддерживают метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) и обеспечивают скорость передачи по шине 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. По-русски этот метод доступа называется "Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий". Ниже приводится краткое описание этого метода доступа.

Передача данных происходит следующим образом. Станция проверяет состояние среды передачи данных (шины). Если среда занята, то станция ожидает освобождения среды. Если среда свободна, то станция начинает передавать кадр данных, одновременно контролируя состояние среды (несущую частоту f1). В том случае, когда за время передачи кадра станция не обнаружила состояние коллизии в сети (т. е. частота f1 не изменилась), считается, что данные переданы успешно.

Если при передаче кадра произошла коллизия (т. е. несущая частота изменилась на величины f2(f1), то станция прекращает передавать данные и выдаёт специальную последовательность из 32 битов, которая позволяет всем станциям определить, что произошла коллизия. Затем станция переходит в состояние ожидания на небольшой случайный промежуток времени, по окончании которого она, проверив среду, пытается ещё раз передать по сети свой кадр. Если за 16 попыток станции не удается передать свои данные, то считается, что среда недоступна.

Следует отметить, что коллизия (конфликт) может произойти в том случае, если среду проверяют несколько станций одновременно. Выяснив, что среда свободна, они пытаются передать свои кадры. При одновременной передаче нескольких кадров несущая частота среды изменяется до величины f2, отличной от f1 (передача одного кадра). Коллизию обнаруживают все станции, которые пытаются одновременно передать свои данные. Каждая из этих станций выполняет действия, перечисленные выше.

Существует четыре основные разновидности кадров Ethernet (рисунок 2.28). NetWare все их поддерживает.

Рис. 2.28. Типы кадров для сетей Ethernet

Цифры на рисунке обозначают длины полей кадров (в байтах). Здесь введены следующие обозначения.

P - преамбула. Представляет собой семибайтовую последовательность единиц и нулей (101010. ). Это поле предназначено для синхронизации приёмной и передающей станций.

SFD (Start Frame Delimiter) - признак начала кадра (10101011),

DA (Destination Address), SA (Source Address) - адреса получателя и отправителя. Они представляют собой физические адреса сетевых адаптеров Ethernet и являются уникальными. Первые три байта адреса назначаются каждому производителю Ethernet-адаптеров (для адаптеров фирмы Intel это будет значение 00AA00h, а для адаптеров 3Com - 0020afh), последние три байта определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh.

FCS (Frame Check Sequence) - контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байтов. Этот процесс называется выравниванием (padding). Жёсткие ограничения на минимальную длину пакета были введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

Теперь рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.

Ethernet_II

Этот тип кадра был разработан первым для сетей Ethernet. Дополнительно содержит следующее поле:

Type - определяет тип протокола сетевого уровня, пакет которого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для протокола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.). Все идентификаторы имеют значения старше 05bch.

Ethernet_802.3

Этот тип кадра был создан фирмой Novell и является базовым для сетей с ОС NetWare 3.11. Дополнительно содержит следующее поле:

Length - длина передаваемого пакета.

Поскольку в этом кадре отсутствует поле с типом протокола, то он может быть использован только для переноса IPX. Заголовок пакета IPX (рисунок 2.14) следует непосредственно за полем длины, поэтому первое поле пакета (поле Checksum) содержит значение FFFFh.

Ethernet_802.2

Этот тип кадра разработан подкомитетом IEEE 802.3 в результате стандартизации сетей Ethernet. Этот кадр содержит следующие дополнительные поля:

Length - длина передаваемого пакета,

DSAP (Destination Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-получателя (E0h - для IPX),

SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-отправителя,

Control - номер сегмента; используется при разбиении длинных IP-пакетов на более мелкие сегменты; для пакетов IPX это поле всегда содержит значение 03h (обмен ненумерованными датаграммами).

Ethernet_SNAP

Этот кадр является модернизацией кадра Ethernet_802.2 и содержит ещё два поля: OUI (Organizational Unit Identifier) и ID, которые определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.

Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнивает значение адреса DA со своим адресом. Если адреса одинаковы, или пришёл широковещательный кадр, или задана специальная программа обработки, то кадр копируется в буфер станции. Если нет, то кадр игнорируется.

если за полем SA следует значение старше 05dch, то это кадр Ethernet_II,
если за полем Length следует идентификатор FFFFh, то это кадр Ethernet_802.3,
если за полем Length следует идентификатор AAh, то это кадр Ethernet_SNAP, иначе - это кадр Ethernet_802.2.

Метод доступа и кадры для сетей Token Ring

станции подключаются к сети по топологии кольцо,
все станции, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер),
в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

Рис. 2.29. Типы кадров для сетей Token Ring

Этот метод доступа излагается при обсуждении кадров Token Ring в конце данного пункта.

Data/Command Frame (кадр управления/данные),
Token (маркер),
Abort (кадр сброса).

Цифры на рисунке обозначают длины полей кадров (в байтах). Здесь введены следующие обозначения полей:

SD (Start Delimiter) - признак начала кадра. Синхронизирует работу приёмника и передатчика, подготавливает станцию к приёму пакета.

Поле Р (Priority). Предположим, что станции WS1, WS2 и WS3 связаны в кольцо. Пусть у станции WS2 есть данные для передачи с приоритетом 5. В это время через неё проходит кадр (например, данные от WS1), где в поле AC установлен приоритет 3 (поле Р). Тогда WS2 запоминает старое значение Р (=3), устанавливает в Р новое значение (=5, т. е. более высокий уровень) и ретранслирует кадр дальше. По кольцу этот кадр возвращается к станции-отправителю WS1. Она, обнаружив в поле Р значение 5, формирует кадр Token (маркер) со значением поля Р, равным 5, и направляет этот кадр по кольцу. Таким образом, станция WS2 получит право на передачу, поскольку у неё самый высокий приоритет. Передав данные, WS2 сформирует и передаст кадр Token с приоритетом 5. Если ни одна станция в сети не имеет данных с таким приоритетом, то маркер (кадр Token) вернётся на WS2. Эта станция "вспомнит", что в своё время увеличила приоритет, и уменьшит его, изменив значение Р в поле AС с 5 на 3. Затем маркер с приоритетом 3 будет передан в сеть.
Поле Т (Token). Этот бит равен 1, если это кадр Data/Command Frame, и равен 0, если это кадр Token.
Поле М (Monitor). При первом проходе станция-монитор устанавливает этот бит в 1. Если затем она получает по кольцу этот кадр с битом М=1, то считает, что станция-отправитель неисправна и удаляет этот кадр из сети.

FC (Frame Control) - поле кадра управления. Для кадра управления в этом поле содержится команда управления. Это может быть команда инициализации кольца, команда проверки адресов устройств и т. п.

DA (Destination Address) - адрес приёмника. Это может быть broadcast-, multicast- или unicast-адрес.

SA (Source Address) - адрес источника.

Пакет - это данные, сформированные каким-либо протоколом (например, IPX). Максимальная длина пакета зависит от загрузки сети. При большой загрузке сети, когда многие станции имеют данные для передачи, интервал времени между получениями маркера станцией будет увеличиваться. В такой ситуации станции автоматически уменьшают максимальный размер пакета, поэтому каждая станция будет передавать свои данные за более короткий промежуток времени и, следовательно, уменьшится время получения (ожидания) маркера или время доступа станции к среде. Когда загрузка сети уменьшается, максимальный размер пакета динамически увеличивается. Этот механизм позволяет устойчиво работать сети Token Ring при пиковых нагрузках.

FCS (Frame Check Sequence) - контрольная сумма, вычисленная для полей FC, DA, SA, Пакет.

ED (End Delimiter) - конечный ограничитель кадра. Кроме этого один бит в этом поле используется для индикации, что этот кадр является последним в логической цепочке. Ещё один бит изменяется приёмником при обнаружении ошибки после сравнения контрольной суммы со значением в поле FCS.

FS (Frame Status) - поле статуса кадра. Состоит из полей A (Address Resolution) и C (Frame Copied). Передающая станция устанавливает эти поля в 0, а принимающая станция изменяет их в соответствии с результатами приёма кадра и ретранслирует кадр дальше по сети. Когда кадр возвращается на станцию-передатчик, выполняется проверка полей A и С (таблица 2.12), и кадр удаляется из кольца.

Ниже приведено краткое описание метода доступа Token Ring.

Управление станциями в сети происходит с помощью передачи специального кадра Token - маркера (рисунок 2.29). Станция, которая приняла маркер, получает право на передачу и может передавать данные. Для этого станция удаляет маркер из кольца, формирует кадр данных и передаёт его следующей станции. В сети Token Ring все станции принимают и ретранслируют все кадры, проходящие по кольцу. При приёме станция сравнивает поле адреса кадра (DA) с собственным адресом. Если адреса не совпадают, то кадр передаётся далее по кольцу без изменений. Если адреса совпадают, или принят кадр с broadcast-адресом, то содержимое копируется в буфер станции, а по результатам приёма вносятся изменения в поле статуса кадра (FS). Затем кадр передаётся далее по сети и, таким образом, возвращается на станцию-отправитель. Получив кадр, станция-отправитель проверяет поле статуса кадра (FS) (таблица 2.12), формирует маркер и передаёт его следующей станции. Таким образом, следующая станция получает право на передачу данных.

Метод доступа и кадры для сетей ARCNet

все устройства, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер),
в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом,
кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

Этот метод доступа излагается после рассмотрения кадров ARCNet.

В сетях ARCNet используется асинхронный метод передачи данных (в сетях Ethernet и Token Ring применяется синхронный метод). Т. е. передача каждого байта в ARCNet выполняется посылкой ISU (Information Symbol Unit - единица передачи информации), состоящей из трёх служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

Кадр ITT (Invitations To Transmit) - приглашение к передаче. Станция, принявшая этот кадр, получает право на передачу данных.
Кадр FBE (Free Buffer Enquiries) - запрос о готовности к приёму данных. С помощью этого кадра проверяется готовность узла к приёму данных.
Кадр DATA - с помощью этого кадра передаётся пакет данных.
Кадр ACK (ACKnowledgments) - подтверждение приёма. Подтверждение готовности к приёму данных (ответ на FBE) или подтверждение приёма кадра DATA без шибок (ответ на DATA).
Кадр NAK (Negative ACKnowledgments) - Узел не готов к приёму данных (ответ на FBE) или принят кадр с ошибкой (ответ на DATA).

Рис. 2.30. Типы кадров для сетей ARCNet

Цифры на рисунке 2.30 обозначают длины полей кадров (в байтах). На рисунке введены следующие обозначения полей:

AB (Alert Burst) - начальный разделитель. Он выполняет функции преамбулы кадра.

EOT (End Of Transmit) - символ конца передачи.

DID (Destination Identification) - адрес приёмника (ID приёмника). Если в поле заносится значение 00h, то кадр обрабатывается всеми станциями.

ENQ (ENQuiry) - символ запроса о готовности к приёму данных.

SOH (Start Of Header) - символ начального заголовка.

SID (Source Identification) - адрес источника (ID источника).

COUNT = 512-N, где N - длина пакета в байтах.

CRC - контрольная сумма.

ACK (ACKnowledgments) - символ готовности к приёму данных.

NAK (Negative ACKnowledgments) - символ не готовности к приёму данных.

Ниже приведено описание метода доступа Token Bus.

В сети ARCNet очерёдность передачи данных определяется физическими адресами станций (ID). Первой является станция с наибольшим адресом, затем следует станция с наименьшим адресом, далее - в порядке возрастания адресов. Каждая станция знает адрес следующей за ней станции (NextID или NID). Этот адрес определяется при выполнении процедуры реконфигурации системы. Выполнив передачу данных, станция передаёт право на передачу данных следующей станции при помощи кадра ITT, при этом в поле DID устанавливается адрес NID. Следующая станция передаёт данные, затем кадр ITT и так далее. Таким образом, каждой станции предоставляется возможность передать свои данные. Предположим, что в сети работают станции с физическими адресами 3, 11, 14, 35, 126. Тогда маркер на передачу (кадр ITT) будет передаваться в следующей последовательности: 126®3®11®14®35®126®3 и т. д.

Для передачи пакета станция сначала должна получить маркер. Получив маркер, узел посылает кадр FBE той станции, которой должны быть переданы данные. Если станция-приёмник не готова, она отвечает кадром NAK, в противном случае - ACK. Получив ACK, узел, владеющий маркером, начинает передавать кадр DATA. После отправки кадра передатчик ожидает ответа в течение 75,6 мкс. Если получен ответ ACK, то передатчик передаёт маркер следующей станции. Если получен ответ NAK, то передатчик повторно передаёт приёмнику кадр DATA. Затем, вне зависимости от ответа маркер передаётся следующей станции.

Каждая станция начинает принимать кадр DATA, обнаружив передачу начального разделителя AB. Затем сравнивает значение адреса DID со своим адресом. Если адреса одинаковы или пришёл broadcast-кадр, данные записываются в буфер станции, если нет, то кадр игнорируется. Кадр считается нормально принятым, если он принят полностью, и контрольная сумма совпадает со значением в поле CRC. Получив нормальный кадр DATA, станция передаёт ответ ACK. Если при приёме обнаружена ошибка, то передаётся ответ NAK. В ответ на широковещательный кадр DATA кадры ACK и NAK не передаются.

В заключение этого пункта рассмотрим, как выполняется реконфигурация сети ARCNet.

Реконфигурация сети выполняется автоматически всякий раз при включении новой станции или при потере маркера. Сетевой адаптер начинает реконфигурацию, если в течение 840 мс не получен кадр ITT. Реконфигурация производится с помощью специального кадра реконфигурации (Reconfiguration Burst). Такой кадр длиннее любого другого кадра, поэтому маркер будет разрушен (из-за коллизии), и никакая станция в сети не будет владеть маркером (т. е. правом на передачу). После приёма кадра реконфигурации каждая станция переходит в состояние ожидания на время, равное 146*(256-ID) мкс. Если по окончании тайм-аута передач по сети не было (а это справедливо только для станции с наибольшим адресом ID), то узел передаёт кадр ITT с адресом DID, равным собственному ID. Если ни одна станция не ответила, узел увеличивает DID на единицу и повторяет передачу кадра ITT и т. д. После положительного ответа маркер передаётся ответившей станции, а её адрес ID запоминается как адрес следующей станции (NID). Эта операция повторяется, пока маркер не вернётся к первому узлу (станции с максимальным адресом). При выполнении реконфигурации каждая станция в сети узнаёт следующую за ней станцию. Таким образом формируется логическое кольцо, определяющее последовательность передачи маркера.

Метод доступа и кадры для сетей FDDI

Адаптеры FDDI поддерживают метод доступа Token Ring (см. п. 2.3.6.2) и обеспечивают производительность 100 Мбит/с. Максимальная длина кольца с оптоволоконным кабелем FDDI - 100 км. Интерфейс FDDI (Fiber Distributed Data Interface) является более современным, чем Ethernet, Token Ring и ARCNet. Сети FDDI можно использовать для объединения нескольких сетей Ethernet, расположенных в разных зданиях (рисунок 2.31).

в Token Ring маркер передаётся следующей станции только после возвращения кадра в узел, который передал этот кадр в сеть; в методе FDDI маркер будет передан непосредственно после передачи кадра данных в сеть,
в методе FDDI не используется поле приоритета Р (в байте АС).

Data/Command Frame (кадр управление/данные),
Token (маркер).

Цифры на рисунке 2.32 обозначают длины полей кадров (в байтах). На рисунке введены следующие обозначения полей:

P - преамбула. Это поле предназначено для синхронизации.

SD - признак начала кадра.

FC - поле, состоящее из следующих областей: CLFFTTTT.

Рис. 2.31. Использование интерфейса FDDI для объединения сетей Ethernet

Бит C устанавливает класс кадра, который определяет, будет ли кадр использоваться для синхронного или асинхронного обмена. Бит L - это индикатор длины адреса станции (16 или 48 битов). В отличие от Ethernet и Token Ring здесь допускается использование в одной сети адресов той и другой длины. Биты FF определяют, принадлежит ли кадр подуровню MAC (т. е. кадр предназначен для управления кольцом) или подуровню LLC (т. е. кадр предназначен для передачи данных). Если кадр является кадром подуровня MAC, то биты TTTT определяют тип пакета (IPX и т. д.).

DA - адрес станции-приёмника.

SA - адрес станции-источника.

FCS -контрольная сумма.

ED - конечный ограничитель кадра.

FS - поле статуса пакета. Это поле содержит поля А (Address Resolution) и C (Frame Copied) (см. таблицу 2.12).

Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.

Содержание

Становление технологии Ethernet

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. [Источник 1]

Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.

О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.

Рисунок 1 - Роберт Меткалф - один из создателей Ethernet

После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi's Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони. [Источник 2]

Первая версия спецификации (Ethernet I) была выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году была выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), которая изменила структуру пакета данных, обеспечила идентификацию адресов в сети (MAC-addresses) и возможность регистрации уникальных адресов. В 1990 году была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (стандарт 10Base-T), в 1991 году — стандарт IEEE 802.3i для неэкранированных витых пар, а в 1993 году — спецификация для волоконно-оптического кабеля (стандарт 10Base-FL). В 1990-х годах начали развиваться беспроводные сети: так называемые радио-Ethernet (базовый стандарт — IEEE 802.11), а также — Fast Ethernet (стандарт 100BaseTX), Gigabit Ethernet (стандарт 100BaseTX). Метод доступа, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Этот протокол описан в Ethernet - и Fast Ethernet-стандартах. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий. Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. [Источник 3]

Протокол Ethernet относится к физическому и канальному уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Он описывает порядок доступа в сеть, правила разграничения общей полосы передачи, требования к линии связи и другие важные характеристики. Протокол Ethernet предполагает, что все участники информационного обмена используют общую среду передачи. Это может быть коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или даже радиосоединение. Для разграничения общей среды применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть его будет рассмотрена ниже.

Принцип работы

Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Стандарты

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.

Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах. [Источник 5]

IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
10Base-F - волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Рисунок 2 - l0Base-5

10Base-5 Кабель [рис.2] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

Рисунок 3 - l0Base-2

10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.

10Base-T кабель [рис.4] бразует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.

Рисунок 4 - l0Base-T

Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.

l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м. [Источник 6]

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Рисунок 5 - Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet

Название	Скорость	Кабель	Стандарт
Ethernet	10Mb/s	Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика	802.3
Fast Ethernet	100Mb/s	Витая пара, оптика	802.3u
Gigabit Ethernet	1Gb/s	Витая пара, оптика	802.3z, 802.3ab
10G Ethernet	10Gb/s	Витая пара, оптика	802.3ae, 802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

Разделяемая среда
Ethernet - Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

Точка-точка
Появился в Fast Ethernet
Единственный вариант в 10G Ethernet [Источник 7]

Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). 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.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным.

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. [Источник 8]

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. [Источник 9]

Метод доступа к передающей среде CSMA (Carrier Sense Multiple Access) является первым из подобных методов. В данный момент используются его более совершенные модификации. Тем не менее подходы, применяемые в нем, используются и в последующих его модификациях.

Принцип работы метода CSMA достаточно простой и базируется на том, что, прежде чем начать передачу данных, в течение конкретного промежутка времени идет прослушивание канала. Если обнаружены шумы (синхронизирующий сигнал определенной частоты), то есть уже ведется передача данных другими объектами, процесс прослушивания повторяется по прошествии некоторого времени. Если никаких шумов не обнаружено, канал считается незанятым, и начинается передача пакетов с данными.

CSMA/CD

Метод доступа к передающей среде CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), или метод множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружения коллизий, является улучшенной модификацией протокола CSMA. Этот метод используется во всех существующих сетях Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, работа которых описана спецификацией IEEE 802.3.

При использовании метода CSMA часто происходит так, что, прослушав канал на наличие синхронизирующего сигнала и не обнаружив такового (то есть линия считается «чистой»), передачу данных могут произвести сразу несколько компьютеров, что, естественно, вызовет коллизии, и данные будут потеряны.

Благодаря такому подходу передача данных происходит не только быстрее (не нужно повторно передавать весь объем), но и с большей гарантией того, что они будут доставлены, даже несмотря на то, что за качество доставки отвечает уровень LLC.

CSMA/CA

Метод доступа к передающей среде CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), или метод множественного доступа с контролем несущей частоты и избеганием коллизий, также является модификацией протокола CSMA. Данный метод доступа к среде чаще всего используется в беспроводных сетях, работа которых описана спецификацией IEEE 802.11.

В отличие от метода доступа к среде CSMA/CD, в которой jam-сигнал высылается только при обнаружении коллизии, метод CSMA/CA сначала отправляет jam-сигнал, информирующий о том, что станция хочет передавать данные, и только потом передает сигнал. После того как выслан jam-сигнал, станция еще некоторое время ожидает и проверяет канал на наличие аналогичных jam-пакетов. Если таковой обнаружен, то есть кто-то уже ведет вещание, станция ждет случайный промежуток времени, и затем процесс повторяется. Если никаких чужих передач не обнаружено, станция начинает передавать данные до тех пор, пока все они не будут переданы. При таком подходе, даже если будет обнаружен чужой jam-пакет, это приведет не к коллизии при передаче данных, а лишь к коллизии jam-пакетов.

Читайте также: