3.1.2. Структура стандартов ieee 802.X

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи-уровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня:

• логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

• управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий уровень - уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 62. Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).

Рис. 62. Структура стандартов IEEE 802.X

Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.

Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Стандарты 802.3,802.4,802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился | как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты - стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.

Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие:

• 802.1 - Internetworking - объединение сетей;

• 802.2 - Logical Link Control, LLC - управление логической передачей данных;

• 802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;

• 802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

• 802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

• 802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;

• 802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;

• 802,8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;

• 802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;

• 802.10 - Network Security - сетевая безопасность;

• 802.11 - Wireless Networks - беспроводные сети;

• 802.12 - Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

Технология Ethernet

Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet. Число сетей, построенных на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, - в 50 миллионов.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была именно радиосеть).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой "общая шина". С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера (устройства) могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет модификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, l0Base-FB. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet основаны на одинаковом методе разделения среды передачи данных - метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) и обеспечивают скорость передачи по шине 10 Мбит/с. По-русски этот метод доступа называется МДКН/ОС (множественный доступ с контролем носителя и обнаружением столкновений).

Физические спецификации технологии Ethernet по стандарту IEE 802.3 на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

• 10Base-5 -коаксиальный кабель диаметром 0,5 " («толстый» коаксиал). С волновым сопротивлением 50 Ом и максимальной длинной сегмента 500 м (без повторителей);

• 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 " («тонкий» коаксиал). С волновым сопротивлением 50 Ом и максимальной длинной сегмента 185м (без повторителей);

• 10Base-T - кабель с неэкранированной витой парой (UTP – Unshielded Twisted Pair), образующий звездообразную топологию на основе концентратора, расстояние между концентратором и конечным узлом не более 100 м.

• 10Base-F - волоконно-оптический кабель с топологией аналогичной топологии стандарта 10Base-T.

Параметры спецификаций физического уровня стандарта Ethernet приведены в таблице **.

Таблица **

Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

Среда передачи данных	Кабель	Максимальная длина сегмента, м	Максимальное расстояние между узлами сети (при использовании повторителей), м	Максимальное число станций в сегменте	Максимальное число повторителей между любыми станциями сети
10Base-5	Толстый коаксиальный кабель RG-8 илиRG-11;AUI-кабель	500	2500	100	4
10Base-2	Тонкий коаксиальный кабель RG-58A/UилиRG-58C/U	185	925	30	4
10Base-T	Неэкранированная витая пара категорий 3, 4, 5	100	500	1024	4
10Base-F	Многомодовый волоконно-оптический кабель	2000	2500	1024	4

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband- широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Протокол CSMA/CD, используемый в сетях Ethernet для разрешения конфликтов при получении доступа к среде передачи, налагает ряд ограничений на устройства и кабельную систему сетей.

• В сегменте (домен коллизий) не может находиться более 1024 устройств (DTE).

Домен коллизий (collision domain) - это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

В сетях на основе коаксиальных кабелей вводятся дополнительные ограничения на число станций и протяженность кабелей.

Суть метода множественного случайного доступа, реализованного в Ethernet состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно две или более станции решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

В соответствии со спецификациями Ethernet станция должна узнавать о возникновении конфликта до завершения передачи пакета. Поскольку длина минимального пакета с преамбулой составляет 576 бит, на обнаружение конфликта в любом случае должно затрачиваться меньшее время.

Промежуток времени между окончанием одного пакета и началом следующего, равный 9,6 мкс (IPG - inter packet gap), позволяет ясно различать отдельные пакеты. При передаче пакетов через повторители этот промежуток может уменьшаться. Повторитель восстанавливает синхронизацию сигналов (retiming) для устранения искажений при передаче через сетевую среду. В общем случае при восстановлении длина пакетов увеличивается за счет включения в него дополнительных битов синхронизации. Увеличение длины пакета происходит за счет сокращения IPG.

При прохождении пакета через несколько повторителей IPG может сильно уменьшиться. При слишком малом зазоре между пакетами принявшее эти пакеты устройство DTE может не успеть обработать полученный пакет к моменту прихода следующего. Исходя из этого, ограничивается протяженность самого плохого пути в сегменте так, чтобы изменение длины пакета на этом пути не превышало 49 бит. Для преодоления перечисленных ограничений используется сегментация - деление сети на меньшие фрагменты, связанные с помощью мостов, маршрутизаторов или коммутаторов.

Общие ограничения для всех стандартов простого Ethernet следущие:

Номинальная пропускная способность, Мбит/с.........................................10

Максимальное число станций в сети........................................................1024

Максимальное расстояние между узлами в сети, м..............................2500 (в 10Base-FB 2750)

Максимальное число коаксиальных сегментов в сети...............................5

Для проверки соответствия сети требованиям стандарта ШЕЕ 802.3 необходимо начертить схему локальной сети, включив в нее все устройства с указанием длины и типа кабеля для каждого соединения, и убедиться в выполнении всех перечисленных ниже требований:

• в сети нет пути между двумя устройствами, содержащего более 5 повторителей;

• в сети не более 1024 станций (повторители не считаются);

• сеть содержит только компоненты, соответствующие стандарту IEEE 802.3, а хост-модули, концентраторы и трансиверы используют только кабели AUI, 10Base-T, FOIRL, 10Base-F, 10Base-5 или 10Base-2;

• оптические соединения имеют достаточно малое затухание, а число разъемов соответствует требованиям ШЕЕ 802.3j;

• в сети отсутствуют соединения, превышающие предельно допустимую длину;

• пути, содержащие 3, 4 или 5 повторителей, должны удовлетворять перечисленным ниже дополнительным требованиям.

Ограничения для путей с 3 повторителями. Если самый длинный путь содержит 3 повторителя, должны выполняться следующие требования:

• между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 1000м;

• между повторителями и DTE не должно быть оптических соединений длиннее 400 м;

• не должно быть соединений 10Base-T длиной свыше 100 м.

Ограничения для путей с 4 повторителями. При четырех повторителях в самом длинном пути должны выполняться следующие требования:

• между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 500м;

• не должно быть соединении стандарта 10Base-T длиной свыше 100 м;

• в сети не должно быть более 3 коаксиальных сегментов с максимальной длиной кабеля.

Ограничения для путей с 5 повторителями. Если в самом длинном пути находится 5 повторителей, вводятся следующие ограничения:

• должны использоваться только оптические (FOIRL, 10Base-F) соединения или 10Base-T;

• не должно быть медных или оптических соединений с конечными станциями длиной более 100 м;

• общая длина оптических соединений между повторителями не должна превышать 2500 м (2740 м для 10Base-FB);

Приведенные способы оценки просты, но недостаточно точны. Некоторые конфигурации, не соответствующие перечисленным требованиям, оказываются совместимыми с требованиями IEEE 802.3.

Для обеспечения соответствия требованиям ШЕЕ 802.3 в сети должны одновременно выполняться два условия:

• задержка детектирования коллизий: продолжительность пути между любыми двумя точками не должна превышать 575 бит;

• межпакетный интервал: изменение длины пакета не должно превышать 49 бит.

Создание сетей с большим числом станций возможно путем иерархического соединения концентраторов, образующего древовидную структуру. На рисунке 63 представлена такая структура, образующая общую область столкновений – один домен коллизий.

Рис. 63. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

В технологии Ethernet используются различные типы кадров. В таблице *** представлены четыре основных типа кадров Ethernet.

Таблица *** Форматы кадров простого Ethernet

Рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.

Ethernet II, разработанный первым для сетей Ethernet. Тип кадра Ethernet 802.3 создан фирмой Novell и является базовым для сетей с ОС NetWare. Ethernet 802.2, разработанный подкомитетом IEEE 802.3 в результате стандартизации сетей Ethernet, кадр содержит дополнительные поля.

Ethernet SNAP, является модернизацией кадра Ethernet 802.2.

Цифры в круглых скобках обозначают длины полей кадров в байтах

Р - преамбула - представляет собой семибайтовую последовательность единиц и нулей (101010....). Это поле предназначено для синхронизации приемной и передающей станций;

SFD (Start Frame Delimiter) - признак начала кадра (10101011);

DA (Destination Address), SA (Source Address) – адреса получателя и отправителя. Они представляют собой физические адреса сетевых адаптеров Ethernet и являются уникальными. Первые три байта адреса назначаются каждому производителю Ethenet- адаптеров (для адаптеров фирмы Intel это будет значение 00AA00h, а для адаптеров 3Com - 0020AFh), последние 3 байт определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh ;

Length ~ длина передаваемого пакета;

Туре - поле определяет тип протокола сетевого уровня, пакет которого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для протокола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.).

FCS (Frame Check Sequence) – контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байт. Этот процесс называется выравниванием (padding). Жесткие ограничения на минимальную длину пакета введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения столкновений.

DSAP (Destination Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-получателя (Е0h - для IPX), SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-отправителя,

Control - номер сегмента; используется при разбиении длинных IP-пакетов на более мелкие сегменты; для пакетов IPX это поле всегда содержит значение 03h (обмен ненумерованными дейтаграммами).

Поля OUI (Organizational Unit Identifier) и ID определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.

Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнивает значение адреса DA со своим адресом. Если адреса одинаковы или пришел широковещательный кадр, или задана специальная программа обработки, то кадр копируется в буфер станции. Если нет, то кадр игнорируется.

Идентификация типа кадра сетевым адаптером осуществляется по следующему алгоритму:

• если за полем SA следует значение старше 05DCh, то это кадр EthernetII,

• если за полем Length записан идентификатор FFFFh, то это кадр Ethernet 802.3,

• если за полем Length стоит идентификатор AAh, то это кадр Ethernet SNAP, иначе - это кадр Ethernet 802.2.