Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

разработали и опубликовали стандарт Ethernet версрш П для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт ШЕЕ 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником. Различие этих стан­ дартов состоят в следующем: в стандарте ШЕЕ 802.3 разные уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet DIX определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в ШЕЕ 802.3. Не­ сколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные раз­ меры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы отличить Ethernet, определенный стандартом ШЕЕ, и фирменный Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений.

В зависимости от типа физической среды стандарт ШЕЕ 802.3 имеет моди­ фикации: lOBase-5, lOBase-2, lOBase-T, lOBase-FL, lOBase-FB. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня тех­ нологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, исполь­ зуется 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 (множествен­ ный доступ с контролем носителя и обнаружением столкновений).

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

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

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

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

•lOBase-F - волоконно-оптический кабель с топологией аналогичной топо­ логии стандарта lOBase-T. Существует несколько вариантов этой специфика­ ции: FOIIIL, lOBase-FL и lOBase-FB .

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - первый стандарт коми­ тета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми уз-

180

3.2. Технологии локальных сетей

лами сети равно 4. Наибольшего диаметра (2500 м) здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми четырьмя повторителями, а так­ же между повторителями и конечными узлами недопустимы - иначе получит­ ся сеть длиной 5000 м.

Стандарт lOBase-FL ~ незначительное улучшение стандарта FOIRL. Здесь повьппена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повто­ рителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт lOBase-FB предназначен только для соединения повторителей. В конечных узлах нельзя использовать этот стандарт для присоединения к пор­ там концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей lOBase-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Повторители, соединенные по стандарту lOBase-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синх­ ронизации, поэтому такие повторители вносят меньшие задержки при передаче данньпс из одного сегмента в другой, что позволило увеличить их число до пяти. В качестве специальных сигналов здесь используются манчестерские

довательность порождает импульсы частоты 2,5 МГц, которые и поддержива­ ют синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Поэтому стандарт lOBase-FB назьшают также синхронный Ethernet

Число 10 в указанных вьппе названиях обозначает битовую скорость пере­ дачи данных этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколь­ ко несущих частот, которые назьгоаются Broadband- широкополосными). Пос­ ледний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Протокол CSMA/CD, используемый в сетях Ethernet для разрешения конф­ ликтов 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 (DIE).

Домен коллизий (collision domain) - это часть сети Ethernet, все узлы ко­ торой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети колли­ зия 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 до­ менов коллизий.

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

181

3.Принципы построения локальных сетей ЭВМ

•Время обнаружения коллизии не должно превышать времени на передачу 575 бит.

В сетях Ethernet используется множественный метод доступа к среде, поз­ воляющий вести передачу в каждый момент только одной станции. При попыт­ ке двух или более станций начать передачу одновременно возникает конфликт доступа к среде - столкновение (коллизия). В этом случае все конфликтующие станции должны прервать передачу данных и возобновлять попытки по исте­ чении случайного интервала времени.

Хотя в сетях Ethernet коллизии являются нормальным явлением, они уве­ личивают задержку и приводят к излишнему расходу полосы пропускания сре­ ды. Пакеты или их фрагменты, переданные во время конфликта, должны быгь отброшены.

С ростом уровня загрузки сети (расход полосы), вероятность конфликтов возрастает. В большой сети на обнаружение коллизии, оповещение об этом сигналом «затора» и разрешение конфликта затрачивается достаточно много времени. Кроме того, на разрешение конфликтов расходуется часть полосы пропускания сетевой среды.

В соответствии со спецификациями Ethernet станция должна узнавать о воз­ никновении конфликта до завершения передачи пакета. Поскольку длина мини­ мального пакета с преамбулой составляет 576 бит, на обнаружение конфликта

влюбом случае должно затрачиваться меньшее время.

•Уменьшение шпервала между пакетами на всем пути передачи не долж­ но превьппать времени на передачу 49 бит.

Промежуток времени между окончанием одного пакета и началом следую­ щего, равный 9,6 МКС (IPG - inter packet gap), позволяет ясно различать отдель­ ные 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 дополнительньпс 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 па­ кеты устройство DTE может не успеть обработать полученный пакет к мо­ менту 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 ис­ пользуется сегментация - деление сети на меньшие фрагменты, связанные с помопцэЮ мостов, маршрутизаторов или коммутаторов.

Характеристики стандартов Ethernet приведены в табл. 3.1.

182

3.2. Технологии локальных сетей

Общие ограничения для всех стандартов простого Ethernet еледущие:

Для проверки соответствия сети требованиям стандарта ШЕЕ 802.3 необ­ ходимо начертить схему локальной сети, включив в нее все устройства с ука­ занием длины и типа кабеля для каждого соедине1шя, и убедиться в выполне­ нии всех перечисленных ниже требований:

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

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

•сеть содержит только компоненты, соответствующие стандарту ШЕЕ 802.3,

ахост-модули, концентраторы и трансиверы используют только кабели AUI, lOBase-T, FOIRL, lOBase-F, lOBase-5 или lOBase-2;

183

3.принципы построения локальных сетей ЭВМ

•оптические соединения имеют достаточно малое затухание, а число разъе­ мов соответствует требованиям ШЕЕ 802.3J;

•в сети отсутствуют соединершя, превьппающие предельно допустимую длину;

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

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

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

•между повторителями и DTE не должно быгь оптических соединений длин­ нее 400 м;

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

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

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

•не должно быгь соединений стандарта lOBase-T длиной свыше 100 м;

•в сети не должно быть более 3 коаксиальньпс 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, lOBase-F) соединения или lOBase-T;

•не должно быть медных или оптических соединений с конечными станци­ ями длршой более 100 м;

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

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

Для обеспечения соответствия требованиям IEEE 802.3 в сети должны од­ новременно вьшолняться два условия:

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

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

Стандарты lOBase-5 и lOBase-2 разрешают использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При макси­ мальной длине сегмента кабеля 500 м максимальная длина сети lOBase-5 со­ ставляет 2500 м. В случае стандарта lOBase-2 максимальная длина сети равна

5 х185 = 925 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, т. е. такими, к которым подключаются конечные станции. Правило применения повторите­ лей в сети Ethernet называется «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента.

184

3.2. Технологии локальных сетей

Концентратор 1

(Hub)

lOBase-FB

Концентратор 3

wsl lOBase-T

Концентратор 4

Рис. 3.6. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте lOBase-T определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети - 4. Это правило носит название «правило 4 хабов» и оно заме­ няет «правило 5-4-3», применяемое к сетям lOBase-5 и lOBase-2. Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4 повто­ рителей, то максимальный диаметр сети lOBase-T составляет 5 х 100 = 500 м. На рис. 3.6 представлена такая структура, образующая общую область столк­ новений - один домен коллизий.

При создании сети lOBase-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовид­ ную структуру.

В табл. 3.2. представлены четьфе основные типы кадров Ethernet. Рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.

Ethernet //, разработанный первым для сетей Ethernet, дополнительно со­ держит поле Туре - оно определяет тип протокола сетевого уровня, пакет кото­ рого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для прото­ кола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.). Все идентификаторы имеют значения старше 05DCh.

Ethernet 802,3. Этот тип кадра создан фирмой Novell, является базовым для сетей с ОС NetWare. Дополнительно содержит поле Length - длина пере­ даваемого пакета. Поскольку в таком кадре отсутствует поле с типом прото­ кола, то он может быть использован только для переноса IPX. Заголовок паке­ та IPX следует непосредственно за полем длины, поэтому первое поле пакета (поле Checksmn) содержит значение FFFFh.

Ethernet 802.2, разработанный подкомитетом ШЕЕ 802.3 в результате стан­ дартизации сетей Ethernet, кадр содержит дополнительные поля:

Length - длина передаваемого пакета;

185

* 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 сетевыхадаптеровEthernet и являются уникальными. Первые три байта ^1феса назначаются каждому производителю Ethemetадаптеров (дляадатп^еровфирмы Intel это будет значение OOAAOOh, а для адаптеров 3Com - 0020AFh), последние 3 байт определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh; FCS (Frame Check Sequence) - контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой конт­ рольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байт. Этот процесс назьшается вьфавниванием (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 (EOh - для IPX),

SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня стан­ ции-отправителя,

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

Ethernet SNAP, являющийся модернизацией кадра Ethernet 802.2, содержит еще два поля: OUI (Organizational Unit Identifier) иГО,которые определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.

Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнива­ ет 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.

186

3.2. Технологии локальных сетей

Идентификация типа кадра сетевым адаптером осуществляется по следу­ ющему алгоритму:

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

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

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

Технология Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet является эволющюнным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:

•увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мбит/с;

•сохранение метода случайного доступа Ethernet;

•сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от се­ тей lOBase-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet -

кскоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией. Fast Ethernet не требует коренного переобучения персо­ нала и замены оборудования во всех узлах сети.

Спещ1фикация Fast Ethernet (802.3w), не является самостоятельньп^ стан­ дартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.7).

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet выз­ вана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем:

оптоволокно- 100Base-FX;

2-парная витая пара категории 5 - 100Base-TX; 4-парная витая пара категории 3 - 100Base-T4.

По сравнеьшю с вариантами физической реализащш Ethernet, здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создава­ лись одновременно, а не эволющюнно, как для сетей Ethernet, то имелась воз­ можность детально определить неизменяемые от варианта к варианту поду­ ровни физического уровня и остальные подуровни, спещ1фические для каждого варианта.

Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений. Напомним кратко их фушащи.

Подуровень LLC (Logical Link Control) обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами вьппележащих уровней, например, с IP или IPX. Кадр LLC (Ethernet 802.2 без полей Р, SFD, FCS по табл. 3.2), вкладывается в кадр MAC, что позволяет за счет полей DSAP и SSAP идентифицировать адрес сервисов назначения и источника соответственно. Например, при вложении в кадр LLC пакета IPX, значения как DSAP, так и SSAP должны быть равны ЕО. Поле управления кадра LLC позволяет реализовать процедуры обмена данны­ ми трех типов.

187

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

Рис. 3.7. Отличия стека протоколов 1 OOBase-T от стека протоколов ЮВазе-Т

Процедура 1-го типа определяет обмен данными без предварительного ус­ тановления соедине1шя и повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, т. е. является процедурой дейтаграммного типа. Именно этот тип процедуры и используется во всех практических реализациях Ethernet. Поле управления для этого типа процедур цмеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.

Процедура 2-го типа определяет режим обмена с установлением соедине­ ний, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей опшбочных кадров. В этом режиме протокол LLC аналогичен протоколу HDLC. В локальных сетях Ethernet такой режим используется редко.

Процедура 3-го типа определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату. Только после этого может быть отправлен следующий информацион­ ный кадр.

Существует расширение формата кадра LLC, называемое SNAP (Subnetwork Access Protocol). В случае применения расширения SNAP в поля DSAP и SSAP

188

3.2. Технологии локальных сетей

записывается значение АА, тип кадра по-прежнему равен 03, а для обозначе­ ния типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байт, причем байты идентификатора организации (OUI) всегда равны 00 (за исключением протокола Apple Talk), а последний байт (ГО) содержит иденти­ фикатор типа протокола (например, 0800 для IP).

Заголовки LLC или LLC/SNAP используют мосты и коммутаторы для транс­ ляции протоколов канального уровня по стандарту ШЕЕ 802.2Н.

Подуровень управления доступом к среде MAC (Media Access Control) от­ ветственен за формирование кадра Ethernet, получение доступа к разделяе­ мой среде передачи данных и отправку с помощью физического уровня кадра по физической среде узлу назначения.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации (ко­ аксиальный кабель, витая пара или оптоволокно с повторителями), всегда на­ ходится в одном из трех состояний: свободна, занята, коллизия. Состояние за­ нятости соответствует нормальной передаче кадра одним из узлов сети. Состояние коллизии возникает при одновременной передаче кадров более, чем одним узлом сети.

МАС-подуровень каждого узла сети получает от физического уровня ин­ формацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна и у МАС-поду- ровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический уро­ вень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не воз­ никла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была зафиксирована, то передача кадра прекращается, и в сеть вьщается специаль­ ная последовательность из 32 бит (так назьюаемая уат-последовательность или сигнал «затора»), которая должна помочь однозначно распознать коллизию всеми узлами сети.

После фиксации коллизии МАС-подуровень делает случайную паузу, а за­ тем вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы умень­ шает вероятность одновременной попытки захвата разделяемой среды несколь­ кими узлами при следующей попытке. Интервал, из которого выбирается случайная величина паузы, возрастает с каждой попыткой (до 10-й), так что при большой загрузке сети и частом возникновении коллизий происходит при­ тормаживание узлов. Максимальное число попьггок передачи одного кадра-16, после чего МАС-подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу сле­ дующего кадра, поступившего с LLC-подуровня.

МАС-подуровень узла приемника, получающего биты кадра от своего фи­ зического уровня, проверяет поле адреса кадра, и если адрес совпадает с его собственным, то он копирует кадр в свой буфер. Затем он проверяет, не содер­ жит ли кадр специфические ошибки: по контрольной сумме, по максимально допустимому размеру кадра, по минимально допустимому размеру кадра, по неверно найденным границам байт. Если кадр корректен, то его поле данных передается на LLC-подуровень, если нет - то отбрасьгоается.

189