1.7. Основные этапы преобразования данных в рабочей станции
В большинстве ЛКС протоколы высоких уровней реализуются непосредственно компьютером рабочей станции, а LLC– и MAC–протоколы исполняет сетевой адаптер. На рис.1.11 показана основные этапы технологии преобразования пользовательских (абонентских) данных в завершенный кадр, предназначенный для транспортировки через среду моноканала.
Из приведенного рисунка хорошо видно, как нарастает пропускная способность сверху вниз. Как указывалось ранее, весьма часто в качестве пропускной способности ЛКС приводятся значения, соответствующие транзитному режиму передачи кадров по моноканалу. В этом режиме кадры передаются через приемники и передатчики моноканала, не проходя “глубоко” через схемы сетевого адаптера и соответственно не подвергаясь большим задержкам. Этим фактом и объясняется максимальное значение приводимой пропускной способности.
Данные пользователя (абонента), подлежащие передаче через моноканал другому абоненту, зарождаются на прикладном уровне и далее продвигаются с уровня на уровень, обрамляясь заголовком протокола соответствующего уровня. Такого рода преобразования данных завершаются подготовкой пакета данных, который должен быть передан на нижние уровни для окончательного обрамления подготовленного пакета в транспортный кадр.
Таким образом, имеет место четкое разделение обязанностей:
абонентский компьютер с помощью программно–реализованных протоколов верхних уровней преобразует пользовательские данные в пакет;
сетевой адаптер на канальном уровне встроенными программно–аппаратными средствами преобразует переданный пакет в кадр и на физическом уровне аппаратными средствами организует транспортировку подготовленного кадра через моноканал, реализуя при этом некоторый метод доступа согласно MAC–протоколу.
При этом для передачи подготовленного пакета из зоны абонентского компьютера в зону сетевого адаптера программно организуется логический “Порт 1”, через который происходит запуск LLC– и MAC–протоколов, реализуемых средствами адаптера, и производится собственно передача подготовленного пакета во внутренний буфер адаптера.
Передача подготовленного кадра на физический уровень производится через внутренний аппаратно–организованный “Порт 2”, который позволяет направить кадр в моноканал по цепи “Логика доступа–Блок приемопередатчиков–Ответвитель–Моноканал”. На рис 1.12 показана организация кадра на примере ЛКС Ethernet, состоящей из рабочих станций (WS) на базе микро–компьютеров LSI–11, использующих в качестве системного интерфейс Q–bus.
Автор настоятельно рекомендует читателям внимательно изучить и детально разобрать приведенные рисунки, которые содержат многие ключевые элементы, весьма необходимые для успешного освоения дальнейшего материала.
1.8. Основы организации сетевых адаптеров
Как уже говорилось ранее, абонентский компьютер превращается в рабочую станцию ЛКС после подключения к нему сетевого адаптера и физической среды моноканала. Конструктивно сетевые адаптеры (СА) выполняются в двух вариантах: внешние (external) и внутренние (internal).
На рис 1.13 показаны основные способы подключения СА к компьютеру рабочей станции, когда в качестве последнего в первом случае выступает компьютер типа notebook, а во втором–персональный компьютер (PC). При этом в первом случае используется внешний СА (Network adapter), подключаемый к параллельному порту компьютера и соединяющий WS с ЛКС кабелем типа “витая пара” (стандарт 10BASE–T). Во втором случае используется внутренний СА, подключаемый к последовательному COM–порту компьютера и соединяющий WS с ЛКС кабелем типа coaxial. При этом он должен быть вставлен во внутренний разъем (slot) системного блока компьютера.
СА обеспечивает сопряжение узлов ЛКС с моноканалом и реализует протоколы связи канального и физического уровней. Основное его назначение заключается в концентрации и исполнении функций соответствующих протоколов связи в своих внутренних быстродействующих аппаратных блоках, освобождая при этом абонентский компьютер от этих трудоемких и несвойственных ему операций.
Существуют три основных способа реализации протоколов связи внутри СА и, как следствие, три варианта построения СА. Протоколы могут быть реализованы программным, программно–аппаратным (микропрограммным) и аппаратным (схемная логика) способами.
Первый способ предусматривает использование в СА стандартного набора микропроцессорных средств, в часности, микропроцессора с фиксированной стандартной системой команд. СА содержит простейшие программно–аппаратные средства управления доступом к моноканалу, основное исполнение протоколов–программное. Это позволяет уменьшить стоимость СА (в этом случае она минимальна), однако при этом уменьшается его пропускная способность (менее 1 Мбит/с).
Второй способ требует занесения микропрограмм протоколов в ПЗУ микропроцессора и не всегда позволяет изменять содержание этих микропрограмм в процессе эксплуатации ЛКС. Стоимость СА имеет среднее значение среди указанных вариантов, а пропускная способность составляет, как правило, несколько (1–10) Мбит/с.
Третий способ обеспечивает максимальую пропускную способность (свыше 10 Мбит/с), однако отличается также и максимальной стоимостью СА. При этом LLC– и MAC–протоколы реализуются в виде схемной логики.
На рис.1.14 показано в качестве примера подключение СА к среде магистрального моноканала в виде экранированной витой пары и коаксиального
кабеля. На концах сегментов моноканала устанавливаются терминаторы. Механическое подключение СА к моноканалу (врезка) производится через специальный разъем (connector), который обеспечивает необходимые электрические (или другой природы) контакты.
Обобщенная структура СА приведена на рис.1.15. Блок доступа реализует соответствующий протокол доступа к моноканалу, взаимодействуя с ним через приемопередатчик. Тракт передачи обеспечивает вывод на приемопередатчик последовательности битов, соответствующих подготовленному кадру. Тракт приема анализирует кадры, передаваемые через моноканал, и выделяет те из них, которые предназначены узлу ЛКС, в котором установлен СА. Тракты приема и передачи имеют свою внутреннюю буферную память для хранения кадров либо используют память компьютера узла.
Способ построения приемопередатчиков (ПП) весьма сильно влияет на характеристики самого СА и всей ЛКС в целом (об этом см. далее). Блок сопряжения с интерфейсом ЭВМ (БСИЭВМ) обеспечивает передачу данных и сигналов прерывания между компьютером и адаптером.
Существенное влияние на организацию СА оказывает способ обмена между адаптером и компьютером: без буферизации и с буферизацией пакетов.
В первом случае пакет, подлежащий передаче в моноканал, размещается в оперативной памяти (ОП) компьютера, откуда он пересылается в адаптер в виде последовательности слов. СА преобразует каждое поступившее слово в последовательность битов, которые передаются в моноканал. После этого адаптер через интерфейс компьютера обращается к его ОП за следующим словом. При приеме пакета из моноканала СА из поступающих битов фомирует слова, которые последовательно отсылаются в заданную область ОП компьютера в темпе их формирования.
Во втором случае СА имеет специальную буферную память для хранения передаваемых и принимаемых пакетов. При передаче пакет сначала выводится из ОП компьютера в буфер, а затем передается в моноканал. При приеме в буфере накапливается весь пакет, который по окончании приема передается в заданную область ОП компьютера.
Выбор способа обмена между СА и компьютером зависит от соотношения пропускной способности моноканала и интерфейса компьютера. Если пропускная способность интерфейса меньше, СА должен иметь буферную память. В противном случае необходимость в буферизации пакетов отпадает.
Структурная организация трактов приема и передачи СА приведена на рис.1.16. Их функционирование заключается в следующем.
Перед началом передачи кадра из компьютера в БСИЭВМ заносится адрес начала области ОП, в которой хранится подготовленный пакет, а также длина пакета в битах. БСИЭВМ считывает из ОП первое слово пакета, которое передается в буфер вывода и затем в пребразователь слов в биты (ПСБ). После освобождения буфера вывода в него передается из ОП очередное слово. Передача кадра начинается с посылки в ПП заголовка кадра (ЗК), который формируется специальным генератором ЗК. Следом за ним выводится последовательность битов, составляющих пакет. Последние проходят через специальный блок бит–стаффинга9, который обеспечивает прозрачность физического канала. При этом ПСБ по окончании передачи хранимого в нем слова загружается очередным словом из буфера вывода, а в последний вводится новое слово пакета, считываемое из ОП. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет передано заданное число битов, что отмечается сигналом Х4, формируемым счетчиком длины. При передаче данных специальным генератором ведется формирование контрольной суммы, которая передается вслед за основным полем данных. Завершается процесс передачей в ПП подготовленного специальным генератором концевика кадра (КК).
Тракт приема обрабатывает сигналы из ПП следующим образом. Распознаватель ЗК формирует сигнал Х1, когда в последовательности битов, принимаемых из моноканала, он выделяет ЗК. Последующие биты, поступающие из ПП, обрабатываются блоком удаления бит–стаффинга и поступают на распознаватель адреса, сравнивающий адрес получателя с собственным адресом СА. Совпадение адресов отмечается сигналом Х3, определяющим факт предназначения передаваемого в моноканале кадра данному СА. Принимаемые биты поступают в преобразователь битов в слова (ПБС), генератор контрольной суммы и счетчик длины. Сформированное ПБС слово передается в буфер ввода, из которого оно записывается в соответствующую ячейку ОП. Счетчик длины фиксирует длину принятого пакета и формирует сигнал Х4, если длина пакета превосходит предельно допустимую. При обнаружении ошибки в принятом пакете (происходит несовпадение контрольных сумм из контрольного поля кадра и из генератора) генератор контрольной суммы вырабатывает сигнал Х5. Прием кадра завершается при поступлении в адаптер КК, который выделяется распознавателем КК, что отмечается выработкой сигнала Х2. Сигнал Х4 может использоваться для прекращения приема пакета, имеющего недопустимую длину.
БСИЭВМ по окончании передачи или приема кадра передает в компьютер слово состояния СА, содержащее необходимую информацию о ходе передачи или приема кадра.
Организация и функционирование блока доступа СА будет рассмотрено далее при обсуждении конкретных типов СА.