2. Исследование возможностей сетевой технологии Ethernet

2.1. История Ethernet

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC (Palo Alto Research Center: Palo Alto – город в округе Санта–Клара, штат Калифорния). Общепринято, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet–Switching For Local Computer Networks» .

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (LAN–ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet DIX (аббревиатура из первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями Token Ring и ARCNET, которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

2.2. Технология

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать кабель– витая пара и кабель оптический.

Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD: Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection – по–русски: «метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий»), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. 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 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

2.3. Формат кадра

Существует несколько форматов Ethernet-кадра.

• Первоначальный Variant I (больше не применяется).

• Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX — наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом интернет.

• Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical– Link–Control: по-русски–«управление логическим каналом»).

• Кадр IEEE 802.3 LLC.

• Кадр IEEE 802.3 LLC/SNAP (Subnetwork–Access–Protocol: по-русски–«протокол доступа к подсетям»).

В качестве дополнения, Ethernet-кадр кадр может содержать тег IEEE 802.1Q, для идентификации VLAN к которой он адресован и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN

Разные типы кадра имеют различный формат и значение MTU (Maximum–Transfer–Unit: по-русски–«максимальная единица передачи данных»)

На рисунке 2.1 показан формат кадра IEEE 802.3 LLC.

Pr	SFD	DA	SA	L	DSAP	SSAP	Contr	46 – 1500	Pad	FCS
7	1	6	6	2	1	1	1(2		46	4

Рисунок 2.1 Формат кадра IEEE 802.3 LLC

Поля имеют следующие назначения:

• PR (Preamble: по–русски – преамбула) : 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.

• SFD (Start–Frame–Delimiter: по-русски–«начальный ограничитель кадра») 1 байт, последовательность 10101011, указывает, что далее последуют информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.

• Адрес назначения DA (Destination–Address: по–русски–«адрес назначения») 6 байт, указывает MAC (Media–Access–Control: по–русски–«управление доступом к среде»)–адрес станции (MAC-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast). Чаще всего это адрес сетевого адаптера компъютера, по которому компъютер (станция) идентифицируется в сети. Каждому сетевому адаптеру присваивается уникальный аппаратный адрес–МАС–адрес, представляющий собой 3–байтовый идентификатор, который присваивается сетевому адаптеру институтом IEEE и 3–байтовый дополнительный код, который назначается фирмой–изготовителем адаптеров.

• Адрес отправителя SA (Source Address: по–русски–«адрес источника») 6 байт, указывает MAC-адрес станции, которая посылает информационный кадр, адрес которой строится по той же схеме, что и DA.

• Поле длины кадра L( length) 2 байта, в общем случае определяет длину поля данных в байтах.

• Поле DSAP (Destination Service Access Point: по—русски –«адрес точки входа службы назначения»), 1 байт.

• Поле SSAP (Source Service Access Point: по—русски –«адрес точки входа службы источника»), 1 байт.

• Contr – управляющее поле, 1 байт. Поля DSAP– DSAP– Contr образуют LLC – заголовок.

• Поле Data – поле данных, которое может содержать от 0 до 1500 байт, но если данные составляют меньше 46 байт,то они размещаются в поле Pad.

• Дополнительное поле Pad (Padding: по–русски – «блокнот») –заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 46 байта, при этом преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

• FCS (Frame–Check–Sequence: по–русски – «контрольная последовательность (сумма) кадра») 4-х байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием процедуры CRC (Cyclic Redundancy Check : по-русски «циклический избыточный контроль») по полям кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS (см.Приложение 3).Если вычисленная сумма и сумма,записанная в поле FCS не совпадают, принимается решение,что кадр искажен.

Следует заметить, что рассмотренные форматы кадров выполняют исключительно внутрисетевую функцию, т.е. создают телекоммуникационную среду в локальной сети, построенной в соответствии с сетевой технологией Ethernet. Для организации межсетевой телекоммуникационной среды используются самые популярные протоколы сетевого (точнее межсетевого) уровня – IP (Internet Protocol: по-русски – «межсетевой протокол») из стека (набора) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol: по–русски – «протокол управления передачей/ межсетевой протокол»). Одной из главных задач, которая ставилась при создании протокола IP, является обеспечение совместной согласованной работы сети, состоящей из локальных сетей (LAN), использующих различные сетевые технологии Ethernet, Token Ring или FDDI.

Взаимодействие технологии TCP/IP с частными LAN–технологиями происходит многократно при перемещении пакета IP по составной сети. На каждом маршрутизаторе протокол IP должен решать задачу определения типа технологии следующей сети и какому пограничному узлу–маршрутизатору направить пакет, в котором должна произойти очередная модификация пакета. Для того, чтобы конкретная сетевая технология сети смогла доставить пакет на следующий маршрутизатор необходимо:

– пакет преобразовать в кадр данной конкретной сетевой технологии (например: Ethernet, Token Ring или FDDI);

– снабдить кадр адресом, формат которого «понятен» конкретной сетевой технологии, что осуществляется путем конвертации IP–адреса в локальный MAC–адрес с помощью протокола разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol).

В стеке протоколов TCP/IP адреса различаются по типам и классам адресов.

Существуют следующие типы адресов:

– локальные или аппаратные для адресации узлов (хостов) в пределах локальной сети (MAC– адреса);

– сетевые или IP– адреса, используемые для однозначной идентификации узлом в пределах составной сети;

– доменные имена (например: RU, UK, SU и т.д.) – символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи.

В свою очередь IP–адреса, состоящие из трех частей, из которых:

– первая часть – класс сети, определяемый ее размерами,

– вторая часть, представляющая собой номер сети,

–третья часть, представляющая собой номер узла (хоста),

делятся на 5 классов: A, B, C, D и E. Ниже на рисунке 2.2 приводятся форматы IP–адресов перечисленных классов.

Формат IP–адреса класса A

0	№ сети	№ узла (хоста)
1 байт		3 байта

a)

Формат IP–адреса класса B

1	0	№ сети	№ узла (хоста)
2 байта			2 байта

б)

Формат IP–адреса класса C

1	1	0	№ сети	№ узла (хоста)
3 байта				1 байт

в)

Формат IP–адреса класса D

1	1	1	0	Адрес группы
4 байта

г)

Формат IP–адреса класса E

1	1	1	1	0	Зарезервирован
4 байта

д)

Рисунок 2.2 Форматы IP–адресов 5 классов

Дадим комментарий к приведенным форматам IP–адресов. Класс A– класс больших сетей, класс B – класс сетей среднего размера, класс C – класс сетей небольшого размера (наиболее распространенный случай).

В таблице 2.1 приведены характеристики сетей, соответствующие приведенным форматам IP–адресов.

Таблица 2.1

Класс	Первые биты	Наименьший номер сети	Наибольший номер сети	Максимальное число узлов в сети
A	0	1	126	2^24
B	10	128	191.255	2^16
C	110	192	223.255.255	2^8
D	1110	224	239.255.255.255	2^4
E	11110	240	247.255.255.255	2^3

Основным органом регистрации IP–адресов c 1998–го года является неправительственная некоммерческая организация, управляемая советом директоров ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers: по–русски–«Интернет корпорация по назначению имен и номеров»).