17. Подуровень управления доступом к среде. Сеть Ethernet. Протокол подуровня управления доступом к среде в Ethernet

Главной проблемой любых широковещательных сетей является вопрос о том, как определить, кому предоставить канал, если пользоваться им одновременно хотят несколько компьютеров. Протоколы, применяющиеся для определения очередности предоставления канала относятся к подуровню передачи данных, называемому управление доступом к среде (MAC). Этот подуровень особенно важен в локальных сетях, так как почти все они используют канал множественного доступа. Центральная проблема – распределение одного широковещательного канала между многочисленными пользователями, претендующими на него.

Наиболее популярной технологией ЛВС является технология Ethernet. Кабель подключается параллельно к вычислительным машинам. Перед началом обмена данными каждый компьютер прослушивает линию, определяя ее состояние. Если по линии уже передаются данные, значит, она занята и собственную передачу следует отложить. Такой метод обеспечивает исключение наложения данных и является довольно эффективным. Но компьютеры прослушивают линию и во время собственной передачи и при обнаружении интерференции с чужими данными блокируют линию для всех отправителей. При этом тот, кто обнаружил коллизию, должен снять свои данные с линии и в течение случайного интервала времени ожидать повторной попытки. Если и после этого возникнет коллизия, время ожидания удваивается, и т. д. Это позволяет более свободно распределить во времени попытки передачи, чтобы один из компьютеров все-таки смог начать первым.

Байты	8	6	6	2	0-1500	0-46	4
	Преамбула	Адрес назначения	Адрес отправителя	Тип	Данные	Наполнитель	Контрольная сумма

Исходная структура кадра, предложенная в свое время DIX (DEC, Intel, Xerox),показана на рис. Каждый кадр начинается с поля Preamble (преамбула, заголовок) длиной 8 байт которое содержит последовательность 10101010. Манчестерское кодирование такой последовательности битов дает в результате меандр с частотой 10 МГц и длительностью 6,4 мкс, что позволяет получателю синхронизировать свои часы с часами отправителя. Далее до конца кадра они должны сохранять синхронизированное состояние за счет манчестерского кода, хранящего отметки границ битов.

Кадр содержит два адреса: получателя и отправителя. По стандарту разрешаются 2-байтовые и 6-байтовые адреса, однако параметры немодулированной передачи со скоростью 10 Мбит/с предусматривают только 6-байтовые адреса. Старший бит адреса получателя содержит 0 для обычных адресов и 1 для групповых получателей. Групповые адреса позволяют нескольким станциям принимать информацию от одного отправителя. Кадр, отправляемый групповому адресату, может быть получен всеми станциями, входящими в эту группу. Широковещательный же кадр получают абсолютно все станции сети.

Еще одной интересной особенностью адресации является использование 46-го бита (соседнего со старшим битом), позволяющего отличать локальные адреса от глобальных. Локальные адреса назначаются администратором каждой сети и не имеют смысла за ее пределами. Глобальные адреса, напротив, назначаются IEEE, и это гарантирует, что один и тот же глобальный адрес не используется двумя станциями. При 48 - 2 = 46 доступных битах может быть назначено около 7 • 1013 глобальных адресов.

Затем следует поле Туре, которое показывает приемнику, что делать с кадром. Дело в том, что одновременно на одной и той же машине могут работать несколько протоколов сетевого уровня, поэтому когда приходит кадр Ethernet, ядро должно понимать, какому протоколу его передать. Поле Туре определяет процесс, который должен взять себе кадр.

Наконец, за полем Туре следует поле данных, размер которого ограничен 1500 байтами. Такое ограничение было выбрано, в общем-то, произвольно в те времена, когда официально был закреплен стандарт DIX. Между тем, кроме верхней границы размера поля данных очень важна и нижняя граница. Поле данных, содержащее 0 байт, вызывает определенные проблемы. Дело в том, что когда приемопередатчик обнаруживает столкновение, он обрезает текущий кадр, а это означает, что отдельные куски кадров постоянно блуждают по кабелю. Чтобы было легче отличить нормальные кадры от мусора, сети Ethernet требуется кадр размером не менее 64 байт (от поля адреса получателя до поля контрольной суммы включительно). Если в кадре содержится меньше 46 байт данных, в него вставляется специальное поле Pad, с помощью которого размер кадра доводится до необходимого минимума. Другой (и даже более важной) целью установки ограничения размера кадра снизу является предотвращение ситуации, когда станция успевает передать короткий кадр раньше, чем его первый бит дойдет до самого дальнего конца кабеля, где он может столкнуться с другим кадром.

По мере роста скоростей передачи данных в сети минимальный размер кадра должен увеличиваться, или должна пропорционально уменьшаться максимальная длина кабеля. Для 2500-метровой локальной сети, работающей на скорости 1 Гбит/с, минимальный размер кадра должен составлять 6400 байт. Или же можно использовать кадр размером 640 байт, но тогда надо сократить максимальное расстояние между станциями сети до 250 м. По мере приближения к гигабитным скоростям подобные ограничения становятся все более суровыми.

Последнее поле кадра стандарта Ethernet содержит контрольную сумму. По сути дела, это 32-битный хэш-код данных. Если какие-либо биты приняты неправильно (в результате шума в канале), контрольная сумма практически наверняка будет неправильной, и ошибка, таким образом, будет замечена.

Когда институт IEEE принимал стандарт Ethernet, в формат кадра было внесено два изменения. Во-первых, преамбула была уменьшена до 7 байт, а последний байт был объявлен ограничителем кадра (Start of Frame) для совместимости со стандартами 802.4 и 802.5. Во-вторых, поле Туре было преобразовано в Length. Конечно, приемник при этом потерял возможность определения действия над пришедшим кадром, но эта проблема была решена добавлением небольшого заголовка поля данных, предназначенного именно для подобной информации.

В 1997 году в IEEE поняли, что по всему миру распространилось уже немало программного обеспечения и оборудования, соответствующих стандарту DIX Ethernet и объявили оба стандарта приемлемыми. К счастью, все поля Туре, использовавшиеся до 1997 года, имели значения больше 1500. Соответственно, любые номера, меньшие или равные 1500, можно было без сомнений интерпретировать как Length, а превышающие 1500 — как Туре. Теперь IEEE может говорить, что все используют предложенный им стандарт, и при этом все пользователи и производители могут без зазрения совести продолжать работать точно так же, как и раньше.