Сетевая технология Ethernet

1. Методы доступа и протоколы передачи данных

   1. Единицы передачи данных и методы доступа в локальных вычислительных сетях

   2. Метод доступа Ethernet

   3. Домен коллизий

   4. Подуровень LLC канального уровня

   5. Метод доступа Arcnet

   6. Протоколы передачи данных IPX/SPX и NETBIOS

2. Аппаратное обеспечение локальных сетей

   1. Аппаратура Ethernet

      1. Толстый коаксиальный кабель

      2. Тонкий коаксиальный кабель

      3. Неэкранированная витая пара

      4. Оптоволоконный Ethernet

      5. Сетевая технология Gigabit Ethernet

      6. Сетевой адаптер Ethernet

      7. Репитер

1. Методы доступа и протоколы передачи данных

В различных сетях существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями. Эти процедуры называют протоколами передачи данных.

Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) разработал стандарты для протоколов передачи данных в локальных сетях. Это стандарты IEEE802. Для нас представляют практический интерес стандарты IEEE802.3, IEEE802.4 и IEEE802.5, которые описывают методы доступа к сетевым каналам данных.

Наибольшее распространение получили конкретные реализации методов доступа: Ethernet, Arcnet и Token Ring. Эти реализации основаны соответственно на стандартах IEEE802.3, IEEE802.4 и IEEE802.5. Для простоты мы будем использовать названия реализаций методов доступа, а не названия самих стандартов, хотя между стандартами и конкретными реализациями имеются некоторые различия.

1. Единицы передачи данных и методы доступа в локальных вычислительных сетях

Пакет – это небольшой блок информации, который легче и быстрее передается по сетевому кабелю. Пакеты являются основными единицами информации в сетевых коммуникациях.

Все пакеты включают в себя следующие сетевые компоненты:

1. адрес источника;

2. информацию;

3. адрес места назначения;

4. инструкции и информация для проверки ошибок.

Стандартный пакет состоит из трех разделов:

1. заголовка, который включает сигнал, определяющий содержание пакета, адрес источника информации, адрес места назначения, информацию, синхронизирующую передачу;

2. информации для передачи;

3. трейлера, т.е. информации для проверки ошибок.

В случае если в ЛВС несколько компьютеров должны иметь совместный доступ к кабелю, возникает такая проблема передачи данных, как коллизия.

Коллизия – это попытка одновременной передачи пакетов данных двумя или более компьютерами, что вызывает «столкновение» данных и их повреждение.

Для избежания подобных ошибок необходимо управлять потоком информации в сети с помощью методов доступа к данным.

Метод доступа к данным – это набор правил и инструкций, определяющих, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю.

Существуют три основных метода доступа к данным:

1. множественный доступ с контролем несущей. Выделяют две разновидности этого метода доступа:

а) CSMa/CD – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий, характеризующийся тем, что перед началом передачи компьютер определяет, свободен канал передачи данных или занят. Если канал свободен, компьютер начинает передачу;

б) CSMA/СA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий, характеризующийся тем, что каждый компьютер перед этапом передачи данных в сеть сигнализирует о своем намерении остальным компьютерам, что позволяет избежать возможных коллизий. Метод доступа CSMA/CA работает медленнее, чем CSMA/CD;

2. доступ с передачей маркера. Маркер – это пакет особого типа, перемещающийся по ЛВС от компьютера к компьютеру. Чтобы переслать информацию в сети, компьютеру необходимо дождаться прихода свободного маркера. Заполнив маркер информацией, а также адресом отправителя и получателя посылаемых данных, компьютер отправляет его по сетевому кабелю. В этом случае другие компьютеры уже не могут передавать свои данные;

3. доступ по приоритету запроса. Это один из самых новых методов доступа, характеризующийся тем, что связь осуществляется только между компьютером–отправителем, концентратором и компьютером–получателем, т.е. концентратор управляет доступом к кабелю и передачей информации.

Структура и размеры пакета в каждой сети жестко определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации. Кроме того, эти параметры зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).

Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым локальным сетям.

Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Типичная структура пакета

Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к единственному стартовому биту.

Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно (при широком вещании).

Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный номер, присвоенный каждому передающему абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.

Служебная информация, которая может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.

Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и определяет полную длину пакета. Существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.

Контрольная сумма пакета – это числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета . Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу. Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC).

Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета.

Рисунок 2 - Вложение кадра в пакет

Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:

Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.

Поле данных пакета.

Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также, возможно, служебная информация.

Как уже упоминалось, помимо термина "пакет" (packet) в литературе также нередко встречается термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет различаются. Причем единства в объяснении этих различий не наблюдается.

В некоторых источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой комбинации относятся к кадру (Рисунок 2). Например, в описаниях сети Ethernet говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.

  Все протоколы, используемые семейством стандартов 802.x, схожи по структуре. Канальный уровень во всех протоколах 802.x разбит на два или более подуровня. Подуровень MAC (Medium Access Control – управление доступом к среде) отвеча­ет за управления доступом к среде передачи данных. Над MAC в иерархии находится подуровень LLC (Logical Link Control – управление логическим соединением), задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов 802.x невидимыми для сетевого уровня.   Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в распоряжение той или иной станции в соответствии с определенным алгоритмом. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий подуровень – LLC, организующий передачу логических единиц данных (кадров информации), с различным уровнем качества транспортных услуг. Подуровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем.