Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
4.3. Методы коммутации и доступа к моноканалу
81
3) начинает передачу;
4) если конфликт не произошел, то сразу посылает положительную
квитанцию для подтверждения правильности передачи;
5) если конфликт произошел, то запускается механизм «антиколлизии».
Сам по себе пакет положительной квитанции не может «столк-
нуться» с каким-либо другим пакетом. Это факт, так как сетевое оборудование после каждой передачи пакета данных переводит сеть в специальный
режим. В этом режиме любые трансляции становятся возможными только
в пределах определенных временных интервалов с фиксированной длительностью. Эти интервалы называются «слоты».
При этом для каждой станции выделяется свой собственный слот в
общей последовательности. Если ни один из выделенных слотов так и не
был использован, то сеть переводится в режим «свободного доступа».
В этом режиме всем станциями предоставляется одинаковая возможность
передавать пакеты в любой удобный для них момент времени.
Если все же происходит конфликт в этом режиме, то квитанция не
посылается. Тогда станция, сможет выполнить передачу информации
только в отведенном ей слоте.
Данный метод доступа может быть кратко описан как сочетание следующих методов:
1) состязательный метод доступа к моноканалу;
2) метод уплотнения канала с разделением по времени.
Когда к сети подключено небольшое количество станций, CSMA/CA
является эффективным решением, так как он обеспечивает почти 100 % эффективность использования канала связи.
До этого мы рассматривали методы «случайного» доступа к моноканалу, т.е. способы получить контроль над единственной средой передачи у
станций, для которых заранее нет регламента такого доступа.
Далее рассмотрим альтернативные методы доступа к моноканалу, у
которых есть определенное расписание или набор правил, когда и кто
имеет право транслировать собственные каналы. Такие методы доступа носят название «детерминированных», и мы покажем их принцип работы на
примере маркерного доступа.
Маркерный доступ к шине (Token Bus или Token Passing) – это достаточно эффективный метод доступа к моноканалу для передачи
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
82
сообщений, в котором передача и прием данных чередуются, исключая возможность случайного доступа.
Здесь имеется в виду, что от одной станции к другой станции пере-
дается специальный маркерный пакет с предопределенным и легко узнаваемым набором бит.
Сам маркер может не нести в себе определенных данных, но служит
однозначным признаком того факта, что та или иная станция имеет право
передавать пакет с данными.
По свой сути маркер – это право передавать данные.
Маркеры создаются специальной станцией, которая появляется в детерминированной сети. У этой станции и только у нее есть право генерировать единственный маркер. Этот маркер передается в определенном порядке после появления в сети. Станция, получившая маркер, может реализовать свое право на передачу подготовленного пакета в моноканал.
Если пакет готов ко времени получения маркера, то станция использует свое право на передачу и выдает последовательность данных в
моноканал.
Если станция, получившая маркер, не готова передавать пакет, то она
пропускает свою очередь на передачу и передает маркер дальше по сети.
При такой организации компьютерной сети никакие две или более
станции не могут передавать пакеты, создавая коллизии. Кроме того, для
любой станции обеспечивается гарантированное право передавать пакеты
данных, несмотря на их приоритет и возможности.
Поэтому такие сети и носят название детерминированными.
Порядок передачи права на трансляцию пакета (маркера) вполне
определен самой сетью, например, при помощи упорядоченного списка сетевых адресов станций.
Администратор сети может искусственно повысить приоритет станции, внеся сетевой адрес определенной станции в список более чем один
раз. Подобная возможность используется ограниченно и с осторожностью,
так как в некотором плане нарушает детерминированность самой сети.
В детерминированных сетях есть несколько недостатков.
Первый из них связан с самим маркером доступа. Если он посылается к некоторой станции, которая выходит из строя, например по причине
собственной неисправности, и не может прочесть маркер, то маркер
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
83
«выпадает» из сети. То есть сеть, как бы «зависает» на некоторое время, так
как ни одна станция не может передавать собственные пакеты, пока не получит маркер.
Для решения такой проблемы блокировки сети вводят дополнитель-
ную роль для какой-либо станции: она становится станцией постоянного
слежения за маркером.
Если по истечению некоторого времени маркер не появляется в сети,
то эта станция генерирует и передает в канал связи новый маркер.
Вторая проблема заключается в модификации состава компьютер-
ной сети с детерминированным доступом. Если из состава сети исключается какая-либо станция, входящая в последовательность передачи маркера, то маркер уже не должен целенаправленно идти к этой станции, так
как он будет потерян. Чтобы такой ситуации не случилось, такая станция
должна быть исключена из состава сети и из логической последовательности передачи маркера.
Для исключения станции и списка необходимо переслать предыду-
щей в последовательности станции сообщение, в котором говорится об изменении адреса получателя маркера.
В обратной ситуации, когда станция включается в состав сети, требуется, чтобы она сама передала специальное сообщение для всех станций
в сети (широковещательное сообщение), которое запросит пересылку маркера в свой адрес. Вместе с маркером ей должен будет пересылаться адрес
следующей машины в логической последовательности передачи маркера.
Иногда в подобную систему вводят специальный аппаратный контроллер, который берет на себя функции как маркирующей, так и следящей станций.
Рассмотрим далее основные сетевые протоколы автоматизированных и информационных систем.
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных
и интеллектуальных систем
Пожалуй, самым известным стандартом для сетевых протоколов
сейчас является Ethernet.
Ethernet – это целое семейство инструментов и технологий с богатой
историей, включающие различные варианты проводной, оптической и
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
84
беспроводной связи Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и Wireless Ethernet. Прак-
тически все виды Ethernet используют один и тот же метод разделения
среды передачи данных CSMA/CD.
Впервые название Ethernet появилось в 1975 г., когда фирма Xerox
разработала и реализовала сетевой стандарт для экспериментальной сети
Ethernet Network. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II или Ethernet DIX для сети
на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet.
На основе стандарта Ethernet DIX был разработан базовый современный стандарт IEEE 802.3. Он во многом похож на своего предшественника,
но также имеет некоторые отличия.
В 1995 г. был принят стандарт Fast Ethernet (100 Мбит/с), который является дополнением к стандарту и отражен в подразделе IEEE 802.3u. Принятое в 1998 г. расширение Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) описано в разделе 802.3z.
В 1997 г. была принята первая спецификация для беспроводных сетей 802.11 со скоростями 1–2 Мбит/c. В 1999 г. IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта IEEE 802.11b, определяющее стандарт
беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Мбит/c. Наконец, в
2003 г. IEEE принял окончательную версию стандарта 802.11g для беспроводных сетей со скоростью до 54 Мбит/с. Сейчас уже достаточно широко
используется подстандарт 802.11n (до 300 Мбит/с). Эти стандарты называются Wireless Ethernet, имеет ряд значимых отличий от базового стандарта,
в частности для организации доступа к среде, используя технологии
CSMA/CA или DFC.
Как правило, предусматривается, что физический уровень может использовать различные среды передачи данных канального уровня. Так, базовый стандарт IEEE 802.3 предусматривает три среды передачи: коаксиальный кабель, витую пару и оптоволокно. Числа и буквы в маркировке
кабелей имеют важное значение. Так, например, число 10 обозначает их
битовую скорость передачи данных в 10 Мбит/с, а слово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц.
Канальный уровень стандарта организует доступ к общей для всех
компьютеров логической шине передачи данных, используя описанный
выше метод CSMA/CD.
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
85
Все передаваемые по сети данные вмещаются в кадры определенной
структуры. Каждый кадр дополняется служебными данными и уникальным
адресом станции назначения.
Любая станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна
перед передачей кадра. Это, согласно технологии CSMA/CD, достигается
прослушиванием линии связи с выделением основной гармоники сигнала.
Эта частота также называется несущей частотой (carrier-sense, CS).
Признаком свободной среды является отсутствие на ней несущей частоты. В базовом варианте при манчестерском кодировании равна 5–10 МГц.
Если среда передачи свободна, то узел имеет право начать передачу
кадра. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле или в случае
радиоканала, сигналы любого передающего узла распространяются во все
стороны от него. Естественно, что все узлы сети их получают.
Для того чтобы дать понять приемникам, что линия занята, любой
кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), т.е. комбинацией бит на старте пакета.
Преамбула состоит из 7 идущих последовательно байт, состоящих
из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011.
Преамбула также нужна для синхронизации приемника и передатчика без дополнительной линии синхронизации.
Все подключенные к кабелю станции могут распознать факт передачи кадра, но только та станция, которая обнаружит пакет и опознает свой
собственный адрес в заголовке кадра, фактически принимает кадр, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные
данные, а затем посылает ответ по тому же кабелю.
После окончания передачи каждого кадра все узлы сети обязаны
выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс. Эта пауза называется межкадровым интервалом и нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние.
Кроме того, данная пауза применяется для предотвращения монополизации среды какой-либо одной станцией. После окончания технологической паузы все узлы сети имеют полное право начать трансляцию своего
кадра, так как среда снова считается свободной.
Следует отметить, что возможна ситуация, когда две и более станций пытаются одновременно передать кадр данных по моноканалу.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
86
Прослушивание среды и технологическая пауза между кадрами не полностью предохраняют от возникновения подобной ситуации.
При такой ситуации возникает коллизия, так как содержимое нескольких кадров пересекается в общем кабеле и, естественно, происходит
искажение информации. Это «плохая ситуация», так как используемые в
Ethernet методы кодирования не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала ни по физическим, ни по логическим признакам.
Для корректной обработки коллизии все станции вынуждены одновременно наблюдать за сигналами в кабеле. Если передаваемый и принимаемый (наблюдаемый) сигналы отличаются друг от друга, то в моноканале фиксируется коллизия.
Для быстрого обнаружения коллизии всеми станциями сети, станция,
которая обнаружила коллизию, принудительно прерывает трансляцию собственного кадра и усиливает данную ситуацию коллизии. Усиление коллизии заключается в посылке в сеть специальной перемешивающей последовательности, состоящей из 32 бит. Такая прерывающая последовательность
называемой jam-последовательностью.
После этого та же самая станция обязана полностью прекратить передачу и сделать паузу в течение случайного интервала времени.
Затем она может опять сделать попытку захвата среды и передачи
кадра. Всего для каждой станции допускается 16 попыток передачи. При
этом до 10-й попытки диапазон интервалов времени постепенно увеличивается.
Если все 16 попыток проваливаются (вызывают коллизию), то передатчик должен прекратить все последующие попытки, отбросить кадр и
выдать ошибку.
Следует понимать, что четкое и своевременное распознавание коллизий абсолютно всеми станциями сети является ключевым условием, необходимым для корректной работы сети Ethernet. Если хотя бы одна станция не распознает коллизию и решит, что кадр передан верно, то этот кадр
фактически будет навсегда утерян или вообще «навредит» передаваемому
потоку информации.
Исторически сложилось так, что со временем в сетях повышается
скорость передачи данных и покрываемое сетью расстояние. Однако с увеличением скорости передачи данных растет и несущая частота канала.
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
87
Следовательно, должно уменьшаться максимальное расстояние между
станциями. Например, в сетях Fast Ethernet оно составляет около 200 м, а в
сетях Gigabit Ethernet оно должно быть менее 25 м, если бы разработчики
не принимали дополнительных мер по увеличению надежности трансляции
данных на больших расстояниях.
Очевидно, что ограничения по расстоянию между станциями в сетях
с высокими скоростями вводятся не случайно – чем выше скорость передачи, тем больше скорость работы передающих устройств, меньше времени на анализ занятости моноканала. Естественно, что на больших расстояниях пакет с преамбулой не успеет дойти от одной дальней станции к
другой и коллизия возникнет уже во время трансляции пакета. Кроме того,
на высоких частотах, «длина» пакета во времени минимальна и напоминает
скорее одиночный импульс, но не длительный пакет данных. В связи с этим
техника может просто «пропустить» начало преамбулы.
Для того чтобы увеличить время передачи пакета данных, можно
даже просто увеличить его длину. Поэтому, в отличие от классического
Ethernet с его 1,4 КБ телом пакета данных, в Fast Ethernet и Gigabit Ethernet
уже используются 4 и 8 КБ.
Вне зависимости от момента времени и места возникновения колли-
зии, в технологии Ethernet оговаривается понятие «домена коллизий». Домен коллизий ‒ это часть группы стандартов сети Ethernet, которые позволяют узлам распознавать коллизию независимо от того, в какой части сети
она возникает. Например, сети Ethernet.
В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта фи-
зического уровня, существует понятие домена коллизий. Домен коллизий
(collision domain) − это часть стандарта Ethernet и детектирование коллизий
выполняется автоматически, например, сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда объединяет свои устройства в один домен коллизий.
Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты,
коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов
коллизий. В целом следует отметить, что несмотря на свою простоту, при
высокой нагрузке на сеть эффективность CSMA/CD резко снижается, а при
значении коэффициента использования сети, близкому к 1, некоторые станции вообще могут не получить доступ в сеть.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
88
Рассмотрим далее формат кадров Ethernet, от которых мы говорили
выше.
Стандарт технологии Ethernet (IEEE 802.3) дает описание единствен-
ного формата кадра MAC-уровня.
Так как обычно в кадр MAC-уровня вкладывается кадр уровня LLC
(IEEE 802.2), то в сети Ethernet может использоваться единственный вариант кадра канального уровня. Его заголовок образуется сочетанием заголовков MAC-уровня и LLC-подуровня. На практике технология Ethernet
поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов:
1) кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);
2) кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);
3) кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);
4) кадр Ethernet SNAP.
Такое положение связано с длительным развитием стандарта Ethernet разными фирмами. Существуют определенны формальные признаки,
по которым сетевые адаптеры могут автоматически распознавать тип кадра.
Формат кадра 802.3/LLC представлен на рис. 12 ниже и включает
8 информативных полей и 2 предшествующих им настроечных.
Рис. 12. Формат кадра 802.3/LLC
Поле уже описанной преамбулы (Preamble) по-прежнему составляется из семи байт синхронизации (10101010).
Очевидно, что при манчестерском кодировании эта комбинация в кабеле или в радиоканале выражается стабильным периодическим сигналом
с частотой 5‒10 МГц.
Начальный или стартовый ограничитель кадра, идущий вслед за преамбулой, состоит из одного байта вида 10101011. Приемник сетевого
устройства Ethernet реагирует на появление такой комбинации бит и считает, что за ним следует уже первый байт заголовка кадра.
Рассмотрим далее обобщенную структуру сетевого кадра.
4.4. Основные сетевые протоколы автоматизированных и интеллектуальных…
89
Адрес назначения, указываемый в сетевом кадре, может быть дли-
ной от 2-х до 6-ти байт. На практике используются 6 байтовые адреса сетевых устройств. Согласно стандарту, первый бит старшего байта адреса
является признаком того, является адрес групповым или же индивидуальным: если он равен 0, то адрес является индивидуальным, если равен 1 –
то групповой. Индивидуальный адрес носит название unicast, а групповой
адрес ‒ multicast.
Групповой адрес означает то, что кадр транслируется для всех узлов
сети или же для определенной группы узлов.
Если этот адрес вообще состоит из всех единиц, то он предназнача-
ется всем узлам сети и называется широковещательным адресом. Широковещательный адрес носит название broadcast.
Стандарты IEEE распространяются на производителей оборудования и регламентирует назначение организационно уникальных идентификаторов или organizationally unique identifier (OUI).
Такой идентификатор располагается в 3-х старших байта адреса и
определяет конкретную компанию – производитель сетевого оборудования.
Производитель оборудования, в свою очередь, отвечает за уникальность младших 3-х байт адреса.
Таким образом, два устройства с одинаковым адресом не могут
встретиться у одного производителя, а вот у разных – вполне.
В сумме адрес определяет двадцать четыре бита, отводимые производителю для маркировки уникальных интерфейсов, что дает возможность
выпустить 16 млн интерфейсов под одним идентификационным номером
организации.
Адрес источника или source address (SA) – это поле с длиной от 2-х до
6-ти байт, содержащее адрес отправителя кадра (сетевой адрес устройства).
Первый бит этого адреса всегда имеет значение 0.
Длина или length (L) – это поле длиной в 2 байта, определяющее
длину поля данных в кадре.
Поле данных или data может содержать варьируемое количество
байт данных в пределах от 0 до 1 496 байт. Если фактическая длина поля
данных (их размер) в источнике сообщения меньше 46 байт, то используется специальное поле заполнения, чтобы дополнить кадр до 46 байт.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
90
Поле заполнения или padding состоит из такого количества байт за-
полнителей, которое обеспечивает длину поля данных в 46 байт.
Размер поля данных определен статистически в процессе эволюции
стандартов сети и его минимальное значение обеспечивает корректную
работу механизма обнаружения коллизий. Т.е., если длина поля данных
достаточна, то вероятность коллизии при всех прочих условиях стремится к нулю.
Завершает кадр данных специальное рассчитываемое поле контрольной суммы или frame check sequence (FCS). Контрольная сумма состоит из 4-х байт. Значение контрольной суммы вычисляется по специальному алгоритму CRC-32.
Смысл данного поля в том, что после получения кадра и чтения его
содержимого (в частности, поля данных), проводится расчет контрольной
суммы и сравнение результата. При совпадении контрольных сумм кадр
считается правильно принятым, а во всех иных случаях считается, что произошла ошибка во время передачи.
Следует отметить, что кадр стандарта 802.3 является кадром
МАС-подуровня. Поэтому в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Так как кадр
LLC имеет заголовок длиной всего в 3 или 4 байта, то фактический максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.
Рассмотрим далее пути развития классической технологии Ethernet, а
именно Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet и Wireless Ethernet.
В основном все отличия Fast Ethernet от чистого Ethernet сосредоточены на физическом уровне. В качестве сред передачи Fast Ethernet исполь-
зуются неэкранированные витые пары категорий 3, 4, 5 (100Base-T4, четырехпарный кабель), неэкранированная витая пара категории 5 или экранированная витая пара STP Type 1 (100BaseTX) и многомодовое волокно
(100Base-FX). Физический уровень включает три элемента:
1) уровень согласования или reconciliation sublayer;
2) независимый от среды интерфейс или media independent interface;
3) устройства физического уровня или physical layer device.
Уровни согласования применяются для того, чтобы уровень MAC
смог работать с физическим уровнем через специальный интерфейс, поддерживающий независимый от физической среды способ обмена данными.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]