Глава 2. Протоколы канального уровня, применяемые на спбивц.

2.1 Канальный уровень передачи данных

Канальный уровень – это второй уровень сетевой модели OSI. Его назначение заключается в формировании и передаче кадров на физический уровень по разделяемому несколькими парами взаимодействующих устройств каналу связи [Производительность протоколов канального уровня].

Функции канального уровня:

• Получение доступа к среде передачи. Обеспечение доступа — важнейшая функция канального уровня. Она требуется всегда, за исключением случаев, когда реализована полносвязная топология (например, два компьютера, соединенных через кроссовер, или компьютер со свичом в полнодуплексном режиме).

• Выделение границ кадра. Эта задача также решается всегда. Среди возможных решений этой задачи — резервирование некоторой последовательности, обозначающей начало или конец кадра.

• Аппаратная адресация (или адресация канального уровня). Требуется в том случае, когда кадр могут получить сразу несколько адресатов. В локальных сетях аппаратные адреса (MAC-адреса) применяются всегда.

• Обеспечение достоверности принимаемых данных. Во время передачи кадра есть вероятность, что данные исказятся. Важно это обнаружить и не пытаться обработать кадр, содержащий ошибку. Обычно на канальном уровне используются алгоритмы контрольных сумм, дающие высокую гарантию обнаружения ошибок.

• Адресация протокола верхнего уровня. В процессе декапсуляции указание формата вложенного PDU существенно упрощает обработку информации, поэтому чаще всего указывается протокол, находящийся в поле данных, за исключением тех случаев, когда в поле данных может находиться один-единственный протокол.

2.2 Семейство технологий Ethernet

2.2.1 Ethernet

Технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox PARC вместе со многими её первыми проектами. Датой создания Ethernet считается 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы Xerox PARC о потенциале технологии Ethernet. Он стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов.

Ethernet в основном описывается стандартами IEEE 802.3. В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель. Применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель - разделяемая среда передачи. Одновременно её могут использовать несколько интерфейсов, но передавать, в каждый момент времени, должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Однако если хотя бы два узла начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга - произойдёт коллизия. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналами в среде и, если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого - фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени. Но если каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет.

Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить количество узлов и минимальный размер кадра. Эти величины прямо пропорциональны друг другу.

Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

В дальнейшем появилась возможность использовать в качестве передающей среды витую пару. Это привело к следующим преимуществам:

• возможности работы в дуплексном режиме;

• низкой стоимость кабеля витой пары;

• уменьшению минимально допустимого радиуса изгиба кабеля

• более высокой надёжности сетей, потому что при использовании витой пары сеть строится по топологии «звезда» и обрыв кабеля приводит лишь к нарушению связи между двумя объектами сети, соединёнными этим кабелем, а при использовании коаксиального кабеля сеть строится по топологии «шина», для которой требуется наличие терминальных резисторов на концах кабеля, поэтому обрыв кабеля приводит к неисправности сегмента сети;

• большей помехоустойчивости из-за использования дифференциального сигнала;

• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например, IP-телефонов;

• применению гальванических развязок трансформаторного типа. В условиях СНГ, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто приводило к выходу из строя сетевых карт в результате электрического пробоя;

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Скорость передачи данных по каналу Ethernet составляет 10 Мбит/с. Максимальный размер для передаваемого кадра - 1518 байт. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции. Спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100. Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

Существует несколько форматов Ethernet-кадра:

• первоначальный Version I, больше не применяется.

• Ethernet Version 2 или Ethernet 802.3 - наиболее распространен (рис. 1).

• Raw 802.3 – формат кадра, разработанный фирмой Novell (рис.2).

• Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте IEEE 802.2H и представляет собой расширение стандарта IEEE 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. [Н. Олифер, В. Олифер, Центр Информационных Технологий] Основным отличием было добавление поля SNAP, расширяющего количество возможных добавлений номеров протоколов верхних уровней. SNAP состоит из 2-х частей: поля Organizationally Unique Identifier (OUI) и Protocol ID (PID). (рис. 3).

6	6	2	1	1	1(2)	46-1500	4
Da	Sa	L	DSAP	SSAP	Control	DATA	FCS

Рис 1. Ethernet 802.3

6	6	2	46-1500	4
Da	Sa	L	DATA	FCS

Рис 2. RAW 802.3

6	6	2	1	1	1(2)	5	46-1500	4
Da	Sa	L	DSAP	SSAP	Control	SNAP	DATA	FCS

Рис 3. Ethernet SNAP

DA (Destination Address) - MAC адрес назначения, может быть юникастом, мультикастом, бродкастом.

SA (Source Address) - MAC адрес отправителя. Всегда юникаст.

L – Length, хранит информацию о размере данных.

DSAP, SSAP, Control - заголовок LLC.  LLC - подуровень управления логической связью. Указывает типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

DATA – поле данных.

FCS (Frame Check Sequence) - проверочная последовательность кадра

2.1.2 Fast Ethernet

К появлению Fast Ethernet привело создание сетевых мостов нового поколения - коммутаторов, которые в отличие от традиционного сетевого моста имели большое количество портов и обеспечивали передачу кадров между портами одновременно. Это позволило эффективно применять коммутаторы для тех сетей, в которых межсегментный трафик не очень отличался от внутрисегментного. Появилась возможность соединить низкую стоимость технологии Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов.

Ещё одно событие заключалось в появлении экспериментальных сетей, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. До этого только технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI) обеспечивала такую битовую скорость, но она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.

В 1992 году в институте IEEE была начата работа по стандартизации новой технологии. Созданная для этого исследовательская группа с конца 1992 по конец 1993 года изучила множество 100-мегабитных решений, предложенных различными производителями, а также высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3

Сходства Fast Ethernet с Ethernet:

• сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;

• сохранение формата кадра, принятого в стандарте IEEE 802.3;

• сохранение топологии «звезда»;

• поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и волоконно-оптического кабеля;

2.2.3 Gigabit Ethernet

В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

При скорости передачи 1 Гбит/с размер кадра в 64 бита приводит к тому, что для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы максимальный диаметр сети (расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга компьютерами) составлял не более 20 м, что было бы мало полезным (успешное распознавание коллизий возможно только в том случае, если время между посылкой двух последовательных кадров минимальной длины больше, чем двойное время распространения сигнала между двумя максимально удаленными друг от друга узлами в сети). Поэтому, чтобы обеспечить максимальный диаметр сети в 200 м (два кабеля по 100 м и коммутатор), минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт.