Лекция 6 1.10.2010 03:22:00 PM

3. Протоколы физического уровня

3.1. Протоколы локальных сетей.

Локальные вычислительные сети строились с использованием нескольких типов протоколов физического уровня, отличающихся типом среды передачи, частотным диапазоном сигналов, уровнями сигналов, способами кодировки.

Первыми технологиями построения ЛВС, получившими коммерческое признание, были патентованные решения ARCNET (Attached Resource Computer NETwork) и Token ring (маркерное кольцо), однако в начале 90-х годов прошлого века они постепенно были практически повсеместно вытеснены сетями на базе семейства протоколов Ethernet.

Этот протокол был разработан Исследовательским центром в Пало Альто (PARC) корпорации Xerox в 1973-м году. В 1980 компании Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation совместно разработали и приняли спецификацию Ethernet (Version 2.0). Тогда же в институте IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. В это семейство входят несколько групп стандартов:

802.1 — объединение сетей.

802.2 — Управление логической связью.

802.3 — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet).

802.4 — ЛВС топологии «шина» с передачей маркера.

802.5 — ЛВС топологии «кольцо» с передачей маркера.

802.6 — сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN).

802.7 — Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group).

802.8 -- Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group).

802.9 — Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks).

802.10 — Безопасность сетей.

802.11 — Беспроводная сеть.

802.12 — ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 – номер не был использован !!!

802.14 – Передача данных по сетям кабельного TV (не активна с 2000 г.)

802.15 - Беспроводные персональные сети (WPAN) например Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 - Беспроводные сети WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, по-русски читается вайма́кс)

802.17 называется RPR (Resilient Packet Ring - адаптивное кольцо для пакетов). Разрабатывается с 2000 года в качестве современной магистральной сети городского масштаба.

По каждой группе работает свой подкомитет, который разрабатывает и принимает обновления. Стандарты серии IEEE 802 охватывают два уровня модели OSI, нас пока интересуют только те из них и в той части, которые описывают физический уровень.

Ethernet (802.3) — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий.

На сегодняшний день Ethernet является наиболее распространенными протоколами локальных вычислительных сетей. Причем спецификация IEEE 802.3 на сегодняшний день описывает несколько вариантов физической реализации ЛВС с разными средами передачи и скоростями передачи данных.

Базовым свойством, объединяющим все эти спецификации является метод управления доступом к среде передачи данных. Для Ethernet это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В сети Ethernet все узлы равноправны, нет какого либо централизованного управления их активностью или разграничения полномочий (как, например в Token ring). Каждый узел непрерывно прослушивает среду передачи и анализирует содержимое всех пакетов данных, если пакет предназначен не данному узлу, он ему не интересен и на верхние уровни не передается. Проблемы обычно возникают при передаче, поскольку никто не гарантирует, что два узла не попытаются вести передачу одновременно (в результате в кабеле возникнет невоспринимаемая суперпозиция двух сигналов). Для предотвращения таких ситуаций (коллизий) каждый узел прежде чем начать передачу убеждается в отсутствии в кабеле сигналов от других сетевых устройств (контроль несущей). Но этого не достаточно для предотвращения коллизий из-за ограниченности скорости распространения сигнала в среде передачи. Возможна ситуация, что какой-то другой узел уже начел передачу, просто сигнал от него еще не достиг рассматриваемого нами устройства. Т.е в сети Ethernet возможны и являются штатными ситуации когда два или более узла одновременно пытаются передавать данные мешая друг другу. Процедура разрешения такой коллизии заключается в том, что обнаружив в процессе передачи присутствие в кабеле чужого сигнала, все попавшие в такую ситуацию узлы прекращают передачу и предпринимают попытки возобновить её через различные интервалы времени.

Недостаток вероятностного метода доступа — неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

Рассмотрим подробнее процедуру обнаружения коллизии и взаимозависимость допустимых размеров сети от скорости передачи данных и длины информационных пакетов, передаваемых по сети. Содержимое и внутреннее устройство кадров Ethernet мы будем разбирать на канальном уровне. Пока мы просто будем учитывать, что при скорости распространения сигнала в проводнике около 200 000 000 м/с при работе сетевого адаптера Ethernet IEEE 802.3 со скоростью передачи данных 10 Мбит/с на отправку одного байта уходит 0,8 мкс и он представляет из себя волновой пакет длиной около 150 м.

Теперь еще раз вернёмся к рисунку. Чтобы рабочая станция «А» узнала, что в процессе передачи имела место коллизия, суперпозиция «столкнувшихся» сигналов должна достичь её до того, как будет завершена передача. Это накладывает ограничения на возможную минимальную длину отправляемых пакетов. Действительно, если использовать пакеты короче чем длина кабеля между рабочими станциями «А» и «В», возможна ситуация, когда пакет полностью отправлен первой станцией (и она уже решила, что передача прошла успешно), а он еще даже не дошел до второй, и она имеет полное право начинать передавать свои данные в любой момент времени. Нетрудно убедиться, что избежать подобных недоразумений можно только используя пакеты такой длины, что за время их передачи сигнал успевает добежать до самой удаленной станции и вернуться обратно.

При скорости передачи данных в 10 Мбит/с эта проблема не играла существенной роли и минимальная длина кадра была ограничена размером 64 байта. За время их передачи первые биты успевают пробежать около 10 км, и для сетей с максимальной длиной сегмента в 500 м. все необходимые условия оказываются выполненными.

При переходе к 100 Мбит/с длина минимального кадра сократиться в 10 раз. Это существенно ужесточает параметры работы сети и максимальное расстояние между станциями было сокращено до 100 м.

При скорости 1000 Мбит/с 64 байта передаются всего за 0,512 мкс и поэтому в гигабитных сетях пришлось увеличить минимальную длину кадра в 8 раз до 512 байт. Если данных для наполнения кадра не хватает, сетевой адаптер просто дополняет его специальной последовательностью символов до этой длины. Этот приём называется «расширением носителя».

Решая проблему обнаружения коллизий, расширение носителя впустую расходует полосу пропускания канала передачи данных при передаче маленьких пакетов. Чтобы уменьшить влияние этого фактора в гигабитном Ethernet адаптеру разрешено при наличии нескольких готовых к передаче коротких кадров формировать из них определённым образом один общий кадр «нормальной» длины до 1518 байт.

Более того, было предложено допустить использование кадров большей длины, чем в предыдущих стандартах Ethernet. Это предложение было реализовано в виде так называемых “jumbo” - кадров длиной до 9018 или даже более байт.

IEEE 802.3 определяет несколько различных стандартов физического уровня. Каждый из стандартов протокола физического уровня IEEE 802.3 имеет наименование.

Характеристики	Ethernet	IEEE 802.3i	IEEE 802.3j	IEEE 802.3u	IEEE 802.3ab	IEEE 802.3z	IEEE 802.3an
		10BaseT	10BASE-F	100BaseTX	1000BaseT	1000Base-SX,LX	10GBaseLH
Скорость, Mbps	10	10	10	100	1000	1000	10000
Макс. длина сегмента, м	500	100	2000	100	100	550	100
Среда передачи	50-Ом коаксиал (толстый)	TP cat 3 - 5	ВОК 1270 нм	TP cat 5	TP cat 5e	ВОК, 830, 1270 нм	TP cat 7
Топология	Шина	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда
Тип передачи	полудуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс

Из таблицы видно, что исходная топология общая шина (толстый Ethernet, тонкий Ethernet) достаточно быстро была заменена на звезду.

TokenRing (IEEE 802.5)

Сеть Token Ring была представлена фирмой IBM в 1984 г., как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров и компьютерных систем. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. Принципиальное отличие от Ethernet - детерминированный метод доступа к среде в предопределенном порядке. Реализован доступ с передачей маркера (применяемый также в сетях ARCnet, и FDDI).

Кольцевая топология означает упорядоченную передачу информации от одной станции к другой в одном направлении, строго по порядку включения. Кольцевая логическая топология реализуется на основе физиче­ской звезды, в центре которой находится много станционное устройство доступа устройство (MSAU - Multi-Station Access Unit).

В любой момент време­ни передачу данных может вести только одна станция, захватившая маркер доступа (token). При передаче данных в заголовке маркера делается отметка о занятости, и маркер превращается в обрамление начала кадра. Остальные станции побитно транслируют кадр от предыдущей (upstream) станции к последующей (downstream). Станция, которой адресован текущий кадр, сохраняет его копию в своем буфере для последующей обработки и транслирует его далее по кольцу, сделав отметку о получении. Таким образом кадр по кольцу достигает передаю­щей станции, которая удаляет его из кольца (не транслирует дальше). Когда станция заканчивает передачу, она помечает маркер как свободный и передает его дальше по кольцу. Время, в течение которого станция имеет право пользоваться маркером, регламентировано. Захват маркера осуществляется на основе приоритетов, назначаемых станциям.

С ростом активности узлов полоса пропускания, достающаяся каждому из узлов, сужается, но обвальной деградации производительности (как в Ethernet) не происходит. Кроме того, механизм приоритетов и ограничения на время владения маркером позволяют привилегированным узлам выделять га­рантированную полосу пропускания независимо от общей загрузки сети. Количество узлов в одном кольце не должно превышать 260 (сегмент Ethernet теорети­чески допускает 1024 узла). Скорость передачи 16 Мбит/с, размер кадра может достигать 18,2 Кбайт.

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring