Структура кадров сетей Ethernet

Кадры сетей Ethernet бывает двух типов: Xerox и IEEE 802.3 (табл. 2.1). Преамбулу используют для синхронизации: первые семь байт содержат код 10101010, а последний- 10101011.

Таблица 2.1

Xerox	Пре­амбула	Адрес получателя	Адрес отправителя	Тип	Данные	CRC
	8 байт	6 байт	6 байт	2 байта	46 - 1500 байт	4 байта
IEEE 802.3	Преамбула	Адрес получателя	Адрес отправителя	Длина	Данные +Набивка	CRC
	8 байт	2/6 байт	2/6 байт	2 байта	46-1500 байт	4 байта

Старший бит в левом байте адреса (А) получателя имеет специальное назначение: если он равен 0, то этот адрес является адресом узла и является уникальным адресом сети. Если значение этого бита равно 1, то адрес яв­ляется широковещательным, и остальные биты определяют, какой группе PC будет передаваться эта информация. В случае если в единицу установ­лены все биты адреса, то информация будет передаваться всем PC. Адрес отправителя подобен адресу получателя, но в старшем бите левого байта всегда записан 0. Компания Xerox использовала первые три байта адреса для кодировки рабочей группы, а остальные - для кодировки PC в группе.

Поле типа кодирует тип протокола, который будет использоваться на более высоких уровнях (был введен Xerox для внутреннего применения). Поле данных имеет переменную длину 46 - 1500 байт. Если не учитывать преамбулу, длина кадра равна 64-1518 байт. Поле CRC - контрольная сум­ма циклического избыточного кода CRC-32 (cyclic redundancy check).

Адрес получателя в кадре IEEE 802. 3 имеет следующие особенности: первый бит определяет, группе или узлу посылается пакет (1 - группа, 0 -узел). При двухбайтной адресации остальные 15 бит определяют адрес узла, при 6-и байтовой адресации - второй бит старшего байта называют битом универсального (код 0) или локального адреса. В адресе отправителя пер­вый бит первого байта всегда равен 0.

Длину данных указывает 2-байтное поле длины. Если данные имеют меньше 46 байт, то, используя набивку, доводят их длину до 46 байт.

Особенности функционирований сетей Ethernet

В сетях Ethernet используется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружения столкновений CSMA/CD (Carrier Sence Multi Access/Collision Detecting), характерный для сетей шинной топологии. Большую часть времени рабочие станции, подключенные к сети, находятся в режиме прослушивания канала. Если канал свободен, то постоянная составляющая в нем отсутствует. При отсутствии постоянной составляющей («несущей») любая рабочая станция PC, подготовившая кадр для передачи, может начать его передачу. Переданный кадр по шине поступает на приемники остальных станций, подключенных к шине. Рабочая станция, опознавшая свой адрес, копирует этот кадр в свой приемный буфер. После завершения успешной передачи кадра, все станции, подключенные к шине, включая станцию-отправитель, должны выдержать технологическую паузу, равную для Ethernet – 9,6 мксек. Эта пауза называется межпакетной паузой IPG (Inter Packet Gap). Если же во время передачи кадра возникла конфликтная ситуация, то передача должна быть немедленно прекращена. Коллизия происходит в том случае, когда информация о том, что рабочая станция начала передачу не достигла других станций, так как скорость распространения сигнала равна NVP (Noninal Velocity of Propagation) конечная и составляет V=NVPC, где С – скорость света. В связи с этим другие станции, которые также прослушивали канал, были убеждены, что шина свободна, также начинают передачу. При появлении коллизии происходит изменение состояния канала (при Манчестерском кодировании изменяется постоянная составляющая в канале). Это изменение обнаружит самая удаленная станция через интервал времени, равный времени распространения сигнала T=L/V, где L – максимальная длина сети, V – скорость распространения сигнала. Время обнаружения коллизий в сетях CSMA/CD выбирается равным удвоенному времени распространения сигнала по шине между PC, наиболее удаленными друг от друга, т.е время 2Т – называют временем двойного оборота PDV (Path Delax Value).

Время передачи короткого кадра Еthernet длиной 64 байта составляет:

T_{K min}= 648t_n = 51,2 мксек,

где t_n=0,1 мксек (длительность битового интервала).

Для того, чтобы сеть Еthernet могла устойчиво функционировать, время двойного оборота не должна превышать время передачи кадра минимальной длины, представленное величиной, равных число битовых интервалов, т.е 512 битовых интервалов. Расчеты показывают, что это условие выполняется, если длина сегмента 10 Base5 = 500м, 10 Base2 = 185м, 10 BaseТ = 100м, 10 BaseF = 2 км.

Рабочие станции при коллизиях переключаются в состояние ожидания. Продолжительность интервала ожидания для каждой станции является случайной величиной, которой зависит от n – числа неудачных попыток:

T_з = 2^min[n,10]51,2 мксек.

После десятой попытки интервал задержки становится равным:

Т_{З max} = 102451,2 мксек = 52,4 мсек и далее не изменяется.

После 16-ой попытки рабочая станция теряет право выхода в сеть.

Для того, чтобы исключить вероятность возникновения ситуации, когда одна рабочая станция монополизирует процесс информационного обмена, каждой станции разрешено пользоваться шиной ограниченное время. По истечению установленного допустимого времени, осуществляется перевод соответствующей станции в пассивное состояние. Величина допустимого интервала активности для рабочей станции составляет от 20 до 150 мс, а время завершения пассивного состояния в пределах от 500 до 2500 мсек.

В заключение определим производительность сети Еthernet при передаче кадров минимальной и максимальной длины при отсутствии коллизий и при возникновении коллизий.

Если время передачи кадра равно Т, то производительность С=1/Т кадров/сек. Максимальную производительность можно получить при передаче кадра минимальной длины.

T_{K min}= (t_pA + t_{K min})t_u + t_мкп

t_pA – время передачи преамбулы, длина которой составляет 8 байт,

t_мкп = 9,6 мксек – межкадровый промежуток.

T_{K min}= (8 + 64)80,1 мкс + 9,6 мкс = 67,2 мксек.

Отсюда С_max = 1/ T_{K min} = 14880 кадров/с.

Минимальная производительность будет получена при передаче кадра максимальной длины в 1518 байт, т.е

Т_{K max} = (8 + 1518)80,1 мксек + 9,6 мксек = 1230,4 мксек,

Тогда С_min = 1/ Т_{K max} = 812 кадр/ сек.

Эффективная скорость передачи подсчитывается при передаче полезной информации.

V_{эф min} = 14880468 = 5,476 мбит/с,

V_{эф max} = (8121500)8 = 9,74 мбит/с.

Наличие коллизий приводит к существенному снижению пропускной способности сети Еthernet, время передачи кадра минимальной длины при наличии коллизии составляет

Т_{К min}^K = T_{K min} + nT_З, где n – номер попытки.

Известно, что длительность максимальной задержки t_{з max} составляет 52,4 мсек (при n≥10).

Производительность в этом случае составит С_min^К = 1/2Т_{К min}ⁿ = 19 кадров/с, т.е сеть практически оказывается заблокированной.