Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде

MAC-адреса

На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентифи­ кации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами. Обычно МАСадрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес.

Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения яв­ ляется признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1, то групповым. Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурирован­ ными (вручную или автоматически по запросу вышележащего уровня) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом с ним ассоциируется еще один адрес —групповой. В частном случае, если групповой адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцате­ ричное представление OxFFFFFFFFFFFF, он идентифицирует все узлы сети и называется

широковещательным.

Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса —централизо­ ванный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), это говорит о том, что адрес назначен централизованно по правилам IEEE 802.

ВНИМАНИЕ------------------------------------------------------------------------------------------------------

В стандартах IEEE Ethernet младший бит байта изображается всамой левой позиции поля, а старший бит —в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка следования битов в байте соответствует порядку передачи битов в линию связи передатчиком Ethernet (первым передается младший бит). В стандартах других организаций, например RFC IETF, ITU-T, ISO, используется традиционное представление байта, когда младший бит считается самым правым битом байта, астар* ший —самым левым. При этом порядок следования байтов остается традиционным. Поэтому при чтении стандартов, опубликованных этими организациями, а также чтении данных, отображаемых на экране операционной системой или анализатором протоколов, значения каждого байта кадра Ethernet нужно зеркально отобразить, чтобы получить представление о значении разрядов этого байта в соответствии с документами IEEE. Например, групповой адрес, имеющий в нотации IEEE вид 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 или в шестнадцатеричной записи 80-00-A7-F0-00-00, будет, скорее всего, отображен анализатором протоколов в традиционном виде как 01-00-E5-0F-00-00.

Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI). Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса (например, идентификатор 0x0020AF определяет компанию 3COM, а ОхОООООС - Cisco). За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудо­

вания. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей —Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д. Локальные адреса назначаются администратором сети, в обязанности которого входит обеспечение их уникальности.

Сетевыеадаптеры Ethernet могут также работать в так называемом режиме неразборчиво­ го захвата (promiscuous mode), когда они захватывают все кадры, поступающие на интер­ фейс, независимо от их МАС-адресов назначения. Обычно такой режим используется для мониторинга трафика, когда захваченные кадры изучаются затем для нахождения причины некорректного поведения некоторого узла или отладки нового протокола.

Форматы кадров технологии Ethernet

Существует несколько стандартов формата кадра Ethernet. На практике в оборудовании Ethernet используется только один формат кадра, а именно кадр Ethernet DIX, который иногда называют кадром Ethernet II по номеру последнего стандарта DIX. Этот формат представлен на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Формат кадра Ethernet DIX (II)

Первыедва поля заголовка отведены под адреса:

□DA (Destination Address) —МАС-адрес узла назначения;

□SA(Source Address) —МАС-адрес узла отправителя.

Для доставки кадра достаточно одного адреса —адреса назначения; адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить. Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet, это дело протоколов верхних уровней. Ethernet же только выпол­ нит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.

□ПолеТ (Туре, или Etheriype) содержит условный код протокола верхнего уровня, дан­ ные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует протоколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.

□Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения. Эта операция требуется для корректной работы метода доступа Ethernet (он рассматривается в следующем разделе).

U Полеконтрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кадр Ethernet DIX (II) не отражает разделения канального уровня Ethernet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интер-

фейсные функции поля Тотносятся к функциям уровня LLC, в то время как все остальнь поля поддерживают функции уровня MAC.

Существуют еще три стандартных формата кадра Ethernet:

□Кадр 802.3/LLC является стандартом комитета IEEE 802 и построен в соответстви с принятым разбиением функций канального уровня на уровень MAC и уровень LU Поэтому результирующий кадр является вложением кадра LLC, определяемого стаї дартом 802.2, в кадр МАС, определяемого стандартом 802.3.

□Кадр R a w 8 0 2 .3или, N o v e l l 8 0 2 .появился3 , в результате усилий компании Novell г ускорению разработки своего стека протоколов в сетях Ethernet.

□Кадр E t h e r n e t S N AсталP результатом деятельности комитета 8 0 2 .2 по приведени предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и приданию кадр необходимой гибкости для учета в будущем возможностей добавления полей или и: менения их назначения.

Как уже было сказано, в настоящее время оборудованием Ethernet используются тольк кадры Ethernet DIX (И). Остальные форматы кадров, в том числе кадр 802.3/LLC, ш прежнему формально являющийся стандартным, вышли из употребления из-за боле сложного формата, который оказался не нужен в условиях существования единой техш логии канального уровня.

Более подробную информацию о форматах кадров Ethernet можно найти насайтеwww.olifer.co.uk в документе «Форматы кадров Ethernet».

Доступ к среде и передача данных

Метод доступа, используемый в сетях Ethernet на разделяемой проводной среде1, носи название CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection —прослушив; ние несущей частоты с множественным доступом и распознаванием коллизий). Названи метода достаточно хорошо описывает его особенности.

Все компьютеры в сети на разделяемой среде имеют возможность немедленно (с учета задержки распространения сигнала в физической среде) получить данные, которые любо из компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключен! все станции, работает в режиме к о л л е к т и в н о г о д о с т(Multiplyу п а Access, МА).

Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедитю что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоник сигнала, которая еще называется н е с у щ е й ч а с т о т(Carrierо й Sense, CS).

Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая прі манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц в зависимости от последовательності единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

1 В беспроводных сетях Ethernet применяется другой метод доступа, известный как C S M А/СА. Это метод рассматривается далее в разделе «Беспроводные локальные сети I E E E 802.11».

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. В примере, показанном на рис. 12.6, узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В коак­ сиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что их получают все узлы сети. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Преамбула нужна для вхож­ дения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двухединиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и сле­ дующий бит является началом кадра.

Рис. 12.6. Метод случайного доступа CSMA/CD

Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содер­ жимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные и передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника данных, поэтомустанция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, од­ нако обнаруживает, что среда занята —на ней присутствует несущая частота, —поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения моно­ польного захвата сре^ы одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. В приведенном при­ мере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения си­ туации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.

Коллизия —это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере на рис. 12.7 коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновре­ менно, такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую (сигналы первого узла еще не успели до него дойти), начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.

лътпшгштл-

□□ □

Коллизия распространяется до узла 1

Рис. 12.7. Схема возникновения и распространения коллизии

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возни­ кающими на кабелехйгналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для повышения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усугубляет коллизию посылкой в сеть специальной последователь­ ности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза e L х (интервал отсрочки).

В технологии Ethernet и н т е р в а л о т с р о чвыбранк и равным значению 512 битовых интерва­ лов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс, или 100 не.

Lпредставляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0,2N], гдеЛҐ—номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается.

Таким образом, случайная пауза в технологии Ethernet может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм носит название

у с е ч е н н о г о э к с п о н е н ц и а л ь н о г о д в о и ч н о г о а л г о р и т м а о т с р о ч к и .

Поведение сети Ethernet при значительной нагрузке, когда коэффициент использования среды растет и начинает приближаться к 1, в целом соответствует графикам, которые были приведены в главе 7 при анализе модели теории очередей М/М/1. Однако рост времени ожидания освобождения среды в сетях Ethernet начинается раньше, чем в модели М/М1. Это происходит из-за того, что модель М/М/1 является очень простой и не учитывает такой важной особенности Ethernet, как коллизии.

Администраторы сетей Ethernet на разделяемой среде руководствуются простым эмпи­ рическим правилом —коэффициент использования среды не должен превышать 30 %. Для поддержки чувствительного к задержкам трафика сети Ethernet (и другие сети на разделяемой среде) могут применять только один метод поддержания характеристик QoS - недогруженный режим работы.

Время оборота и распознавание коллизий

Надежное распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым усло­ вием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не рас­ познает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет от­ бракован принимающей станцией из-за несовпадения контрольной суммы. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнегоуровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, либо протоколом LLC, если он работает в режиме LLC2. Однако повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже (иногда по прошествии нескольких секунд), чем повторная передача средствами сети Ethernet, работающей с микросекундными интервалами. Поэтому если коллизии не будут надежно

коаксиал. В моноканале имеется большое количество механических соединений: каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненное значе­ ние для всей сети. Пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля —запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Сеть Etemet на витой паре, описываемая стандартом 10Base-T, стала следующим шагом на пути повышения эксплуатационных характеристик Ethernet.

Одним из существенных недостатков Ethernet на коаксиальном кабеле являлось отсут­ ствие оперативной информации о состоянии кабеля и сложность нахождения места его повреждения. Поэтому поиск неисправностей стал привычной процедурой и головной болью многочисленной армии сетевых администраторов коаксиальных сетей Ethernet.

Альтернатива появилась в середине 80-х годов, когда благодаря использованию витой пары

иповторителей сети Ethernet стали гораздо более ремонтопригодными.

Кэтому времени телефонные компании уже достаточно давно применяли многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Идея приспособить этот популярный вид кабеля для локальных сетей ока­ залась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего ком­ муникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операционных систем были минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Эта попытка оказалась успешной —переход на витую пару требует только замены приемника и передатчика сетевого адаптера, а метод доступа и все протоколы канального уровня остаются теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

Правда, для соединения узлов в сеть теперь обязательно требуется коммуникационное устройство —многопортовый повторитель Ethernet на витой паре.

Устройство такого повторителя схематично изображено на рис. 12.8. Каждый сетевой адаптер соединяется с повторителем двумя витыми парами. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход ТХ сетевого адаптера), другая —для передачи данных от повторителя к станции (вход RX сетевого адаптера). Повторитель по­ битно принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, исключая тот, с которого поступили сигналы, одновременно улучшая их электрические характеристики.

Многопортовый повторитель часто называют концентратором, или хабом (от английско­ го hub —центр, ступица колеса), так как в нем сконцентрированы соединения со всеми конечными узлами сети. Фактически хаб имитирует сеть на коаксиальном кабеле в том отношении, что физически отдельные отрезки кабеля на витой паре логически все равно представляют единую разделяемую среду. Все правила доступа к среде по алгоритму CSMA/CD сохраняются.

При создании сети Ethernet на витой паре с большим числом конечных узлов хабы мож­ но соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 12.9). Добавление каждого хаба изменяет физическую структуру, но оставляет без изменения логическую структуру сети. То есть независимо от числа хабов в сети сохраня­

ется одна общая для всех интерфейсов разделяемая среда, так что передача кадра с любого интерфейса блокирует передатчики всех остальных интерфейсов.

Рис. 12.9. Иерархическое соединение хабов

Физическая структуризация сетей, построенных на основе витой пары, повышает надеж­ ность и упрощает обслуживание сети, поскольку в этом случае появляется возможность контролировать состояние и локализовывать отказы отдельных кабельных отрезков, под­ ключающих конечные узлы к концентраторам. В случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера работа сети может быть быстро восстановлена путем отключения соответствующего сегмента кабеля.

Для контроля целостности физического соединения между двумя непосредственно соединенными портами,» стандарте IOBase-Т введен так называемый т е с т ц е л о с т н о с т и со е д и н е н и я(Link Integrity Test, LIT). Эта процедура заключается в том, что в те периоды, когдапорт не посылает или получает кадры данных, он посылает своему соседу импульсы длительностью 100 не через каждые 16 мс. Если порт принимает такие импульсы от своего соседа,тоон считает соединение работоспособным и, как правило, индицирует это зеленым светом светодиода.

отисгіользуемогофизического уровня встандартах EthernetНа 10 Мбит/с вводите* намаксимальное коийчество:уэлов, псщ»слючаемых^раЬделяемой:среде. Это огра*

ніИййиІ ^

Не все варианты физического уровня стандарта Ethernet на 10 Мбит/с дают возможное построить сеть с максимальным количеством узлов. Например, сеть 10Base-5 может име максимум 100 х 3 - 3 = 297 узлов (3 подключения уходят на повторители, соединяющі сегменты), а сеть 10 Base-2 —только 87 узлов. И лишь сети 10Base-T и 10Base-F дав такую возможность.

Более подробную информацию о стандартах физическо- тоуровня Ethernet можно найти на сайте www.olifer.co.uk в документе «Физические стандарты Ethernet».

Максимальная производительность сети Ethernet

Производительность сети зависит от скорости передачи кадров по линиям связи и скоросч обработки этих кадров коммуникационными устройствами, передающими кадры меж; своими портами, к которым эти линии связи подключены. Скорость передачи кадров г линиям связи зависит от используемых протоколов физического и канального уровне например Ethernet на 10 Мбит/с, Ethernet на 100 Мбит/с, Token Ring или FDDI.

Скорость, с которой протокол передает биты полинии связи, называется номинальной скоро­ стью протокола.

Скорость обработки кадров коммуникационным устройством зависит от производительні сти его процессоров, внутренней архитектуры и других параметров. Очевидно, что скорост коммуникационного устройства должна соответствовать скорости работы линии. Если ot меньше скорости работы линии, то кадры будут стоять в очередях и отбрасываться пр переполнении последних. В то же время нет смысла применять устройство, которое в сотн раз производительнее, чем того требует скорость подключаемых к нему линий.

Для оценки требуемой производительности коммуникационных устройств, имеющи порты Ethernet, необходимо оценить производительность сегмента Ethernet, но не в бита в секунду (ее мы знаем —это 10 Мбит/с), а в кадрах в секунду, так как именно этот показі тель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройст; Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра, независимо от его длины, мост, ко\ мутатор или маршрутизатор тратит примерно равное время, которое уходит на просмот таблицы продвижения пакета, формирование нового кадра (для маршрутизатора) и т. і

При постоянной битовой скорости количество кадров, поступающих на коммуникационно устройство в единицу^времени, является, естественно, максимальным при их минималі ной длине. Поэтому для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимої является обработка потока кадров минимальной длины.

Теперь рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единица? как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду

Приуказании производительности сетей термины «кадр» и «пакет» обычно используются как сино­ нимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности кадры в секунду (кадр/с) и пакеты в секунду (пакет/с).

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, вспомним, что подсчитанное нами ранее время, затрачиваемое на пере­ дачу кадра минимальной длины (576 бит), составляет 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины состав­ ляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с (рис. 12.10). Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий.

Рис. 12.10. К расчету пропускной способности протокола Ethernet

Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле данных 1500 байт, что вме­ стесо служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт, или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.

Теперь рассчитаем, какой максимально полезной пропускной способностью, измеряемой в битах в секунду, обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.

Полезнойпропускной способностью протоколаназывается максимальнаяскоростьпередачи пользовательскихданных, которые переносятся полемданныхкадра.

Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:

□служебной информации кадра;

□межкадровых интервалов (IPG);

□ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:

В = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/с.

Это несколько меньше, чем 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файловэта скорость имеет небольшое отношение.

Длякадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:

Вп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с.