Типичные шестнадцатиричные значения Ethertype

Протокол сетевого уровня	Ethertype
Internet Protocol	0800
Х.25	0805
Address Resolution Protocol	0806
Reverse ARP	8035
AppleTaik on Etheraei	809B
NetWare IPX	8137

В стандарте IEEE 802.3 это поле отведено для указания длины поля данных. Протокол сетевого уровня идентифицируется в кадре с помощью дополнительного компонента — подуровня управления логической связью (Logical Link Control, LLC). Рабочая группа IEEE 802 не ограничивалась развитием исключительно Ethernet-подобных протоколов. Имеются и другие протоколы, удовлетворяющие архитектуре IEEE 802, наиболее известны из которых (не считая IEEЕ 802.3) протоколы типа Token Ring (стандарт IEEE 802.5). Чтобы добиться совместимости архитектуры IЕЕЕ 802 со всеми этими протоколами, канальный уровень разделен на два подуровня (рис. 6).

Рис. 6. В стандарте IEEE 802 канальный уровень разделен на два подуровня

На подуровне MAC определяются элементы стандарта IEEE 802.3 — спецификация физического уровня Ethernet, кадр и механизм управления доступом к среде CSMA/CD. Функции подуровня LLC опубликованы в отдельном документе IEEE 802.2. Точно такой же подуровень LLC используется наряду с подуровнем MAC в других протоколах архитектуры IEEE 802, например, IEEE 802.5.

В стандарте LLC определен дополнительный 3- или 4-байтовый подзаголовок, передаваемый вместе с полем данных, который содержит точки доступа к службам (Service Access Point, SAP) для исходной и целевой систем. Эти точки идентифицируют ячейки памяти, в которых отправитель и получатель хранят данные пакета. Чтобы выполнить ту же функцию, что и поле Ethertype, подзаголовок LLC содержит значение SAP равное 170. Оно указывает, что поле данных содержит второй подзаголовок — протокол доступа к подсети (Subnetwork Access Protocol, SNAP). В двух из пяти байтов подзаголовка SNAP записан код Local Code, выполняющий те же функции, что и поле Ethertype в заголовке Ethernet II.

Компьютеры в сетях TCP/IP, как правило, используют кадры Ethernet II, поскольку поле Ethertype, выполняя те же функции, что подзаголовки LLC и SNAP, позволяет экономить от 8 до 9 байтов на каждом пакете. Серверы и клиенты Windows «договариваются» об общем типе кадра автоматически. В сетях NetWare тип кадра выбирается при установке сервера. Вообще, говоря о кадрах Ethernet, нужно отметить два критических фактора. Во-первых, для обмена данными компьютеры должны применять кадры одного типа. Во-вторых, если Вы используете в сети несколько разных протоколов сетевого уровня, например, TCP/IP для Windows и IPX для NetWare, Вы должны использовать кадры, содержащие поле Ethertype или его функциональный эквивалент, например, кадры Ethernet II или Ethernet SNAP.

Механизм CSMA/CD

Механизм MAC — определяющий элемент стандарта Ethernet. Протокол, во всех остальных отношениях очень похожий на Ethernet, например, 100VG AnyLAN, попадет в другую категорию, если в нем используется другой механизм MAC. Название «Множественный доступ с контролем несушей и обнаружением коллизий» (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) кажется несколько громоздким, но суть этого механизма проста, если, конечно, не вдаваться в подробности.

Когда системе Ethernet нужно передать данные, она, прежде всего, проверяет, не занята ли сеть другой системой. Этот этап называется фазой контроля несущей (carrier sense). Если сеть занята, система ждет некоторое время, а потом снова проверяет сеть на занятость. Если сеть свободна, система передает пакет данных. Эта этап называется фазой множественного доступа (multiple access), поскольку за право получить доступ к среде соревнуются все системы одной ЛВС.

Ф азы контроля несущей и множественного доступа демонстрируются в видеоролике CSMA.

Хотя во время фазы контроля несущей и выполняется начальная проверка, она все-таки не гарантирует, что две системы в сети не начнут передачу одновременно, вызвав тем самым коллизию (collision). Такое, например, происходит, когда одна система выполняет контроль несущей, а другой компьютер уже начал передачу, но его сигнал еще не достиг первой системы. Убедившись в не занятости сети, первый компьютер тоже начинает передачу, и где-то в кабеле два пакета встречаются. Происходит коллизия, в результате которой оба пакета игнорируются, и системы должны повторить их передачу. Такие коллизии в сетях Ethernet — вещь вполне обычная и ожидаемая, и они не создают проблем, если их не слишком много и компьютеры способны их обнаруживать.

К оллизия демонстрируется в видеоролике Collision.

Хотя все без исключения называют столкновение пакетов коллизией, согласно стандарту IEEE 802.3, оно представляет собой ошибку качества сигнала (Signal Quality Error, SQE). В подобных стандартах это обычная практика — придумывать сложные термины там, где можно обойтись одним словом.

Самая важная часть процесса передачи данных — фаза обнаружения коллизий (collision detection). Если системы не распознают столкновение пакетов, поврежденные данные могут достичь целевой системы, которая обработает их как корректные. Сети Ethernet спроектированы так, чтобы пакеты были достаточно большими и заполняли весь сетевой кабель сигналами, пока не будет передан последний бит информации. Именно поэтому пакеты Ethernet должны быть не менее 64 байтов в длину, именно поэтому система перед передачей дополняет короткие пакеты до 64 байтов, именно поэтому в стандартах Ethernet накладываются такие строгие ограничения на длину сегментов кабеля.

Компьютер способен обнаружить коллизию, пока он находится в процессе передачи данных. При использовании кабеля UTP или оптоволоконного кабеля компьютер «предполагает», что случилась коллизия, если сигнал регистрируется как и в передающих, так и в принимающих проводах. В коаксиальных сетях о коллизии говорит резкий скачок напряжения в кабеле. Если кабель слишком длинный или пакет слишком короткий, система может завершить передачу до того, как обнаружит признаки коллизии.

Очевидно, что коллизия может произойти и после того, как последний бит данных покинул передающую систему. Такая коллизия называется запоздавшей (late collision) и указывает на наличие в сети Ethernet серьезной проблемы (например, неисправного сетевого адаптера), которую нужно как можно быстрее исправить.

Обнаружив коллизию, система немедленно останавливает передачу данных и начинает передачу сигнала затора (jam pattern), сигнализируя всем системам сети, что произошла коллизия, и потому необходимо игнорировать все пакеты, частично принятые к этому времени, и не начинать передачу данных, пока сеть не очистится. После передачи сигнала затора система выдерживает паузу до новой попытки передать данные. Продолжительность этой паузы называется периодом задержки (backoff period), и обе системы, вовлеченные в коллизию, рассчитывают его самостоятельно по алгоритму усеченной двоичной экспоненциальной задержки (truncated binary exponential backoff) с использованием генератора случайных чисел. Случайным образом период вычисляется для того, чтобы у двух систем он не совпал и они не начали передачу одновременно, породив новую коллизию.

Процедура действия CSMA/CD такова, что чем больше систем Вы подключаете к сети и чем больше они передают данных, тем больше происходит коллизий. Коллизии — нормальная часть работы сети Ethernet, но это не значит, что они ей не мешают. Коллизии приводят к задержкам в передаче данных, так как некоторые пакеты системам приходится посылать повторно. Если число коллизий не превышает норму, задержки несущественны, но, когда нагрузка на сеть увеличивается, число коллизий также возрастает, и связанная с ними суммарная задержка уже заметно ухудшает работу сети. Поэтому сети Ethernet не рекомендуется слишком перегружать. Для ослабления нагрузки на сеть в ней можно установить мост или коммутатор или разделить ее на две ЛВС, соединенные маршрутизатором.

Может показаться, что управление доступом к сетевой среде с помощью механизма CSMA/CD происходит неэффективно, но на самом деле действия, с помошью которых система борется за доступ к сети и ликвидирует последствия коллизий, производятся много раз в секунду, причем так быстро, что задержкой можно пренебречь, если число коллизий не чрезмерно.

У правление доступом к среде демонстрируется в видеоролике Contention.

Упражнение 5.1. Механизм CSMA/CD

Расположите следующие шаги процесса передачи данных CSMA/CD в правильном порядке.

1. Система начинает передачу данных.

2. Система повторяет передачу данных.

3. Система фиксирует признак коллизии.

4. Система делает паузу в передаче данных.

5. Система проверяет, свободна ли сеть.

6. Система прерывает передачу данных.

7. Система передает сигнал затора.

8. Система обнаруживает, что сеть свободна.