3.3.3. Формати кадрів технології Ethernet

Стандарт технології Ethernet, описаний у документі IEEE 802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня MAC. Тому що в кадр рівня MAC повинний вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі IEEE 802.2, то по стандартах IEEE у мережі Ethernet може використовуватися тільки єдиний варіант кадру канального рівня, заголовок якого є комбінацією заголовків MAC і LLC підрівнів.

Проте на практиці в мережах Ethernet на канальному рівні використовуються  кадри 4-х різних форматів (типів). Це пов'язано з тривалою історією розвитку технології Ethernet, що нараховує період існування до прийняття стандартів IEEE 802, коли підрівень LLC не виділявся з загального протоколу і, відповідно, заголовок LLC не застосовувався.

Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox у 1980 році подав на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet (у який був, природно, описаний визначений формат кадру) як проект міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, що відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися і формату кадру, що породило існування двох різних типів кадрів у мережах Ethernet.

Ще один формат кадру з'явився в результаті зусиль компанії Novell по прискоренню роботи свого стека протоколів у мережах Ethernet.

І нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802.2 по приведенню попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.

Розходження у форматах кадрів можуть приводити до несумісності в роботі апаратури і мережного програмного забезпечення, розрахованого на роботу тільки з одним стандартом кадру Ethernet. Однак сьогодні практично всі мережні адаптери, драйвери мережних адаптерів, мости/комутатори і маршрутизатори вміють працювати з усіма використовуваними на практиці форматами кадрів технології Ethernet, причому розпізнавання типу кадру виконується автоматично.

Нижче наводиться опис усіх чотирьох типів кадрів Ethernet (тут під кадром розуміється весь набір полів, що відносяться до канального рівня, тобто поля MAC і LLC рівнів). Той самий тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру приведене по декілька найбільш вживаних назв:

кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 чи кадр Novell 802.2);

кадр Raw 802.3 (чи кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (чи кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Формати всіх цих чотирьох типів кадрів Ethernet приведені на мал. 3.6.

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадру 802.3/LLC є результатом об'єднання полів заголовків кадрів, визначених у стандартах IEEE 802.3 і 802.2.Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка (мал. 3.6; поле преамбули і початковий обмежувач кадру на малюнку не показані).

Поле преамбули (Preamble) складається із семи синхронізуючих байт 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом з частотою 5 Мгц.

Початковий обмежувач кадру (Start-of-frame-delimiter, SFD) складається з одного байта 10101011. Поява цієї комбінації біт є вказівкою на те, що наступний байт — це перший байт заголовка кадру.

Адреса призначення (Destination Address, DA) може бути довжиною 2 чи 6 байт. На практиці завжди використовуються адреси з 6 байт. Перший біт старшого байта адреси призначення є ознакою того, є адреса індивідуальна чи групова. Якщо він дорівнює 0, то адреса є індивідуальною (unicast), a якщо 1, те це групова адреса (multicast). Групова адреса може призначатися усім вузлам мережі чи ж визначеній групі вузлів мережі. Якщо адреса складається з всіх одиниць, тобто має шістнадцяткове представлення 0xFFFFFFFFFFFF, то вона призначається всім вузлам мережі і називається широкомовною адресою (broadcast). В інших випадках групова адреса зв'язана тільки з тими вузлами, що сконфігуровані (наприклад, привласнені) як члени групи, номер якої зазначений у груповій адресі. Другий біт старшого байта адреси визначає спосіб призначення адреси — централізований чи локальний. Якщо цей біт дорівнює 0 (що буває майже завжди в стандартній апаратурі Ethernet), то адреса призначена централізовано, за допомогою комітету 11111. Комітет ILEE розподіляє між виробниками устаткування так звані організаційно унікальні ідентифікатори (Organizationally Unique Identifier, OUІ). Цей ідентифікатор міститься в 3 старших байтай адреси  (наприклад, ідентифікатор 000081 визначає компанію Bay Networks). За унікальність молодших 3-х байт адреси  відповідає виробник устаткування. Двадцять чотири біти, що підводяться виробнику для адресації інтерфейсів його продукції, дозволяють випустити 16 мільйонів інтерфейсів під одним ідентифікатором організації. Унікальність адрес,  що централізовано розподіляються, поширюється на всі основні технології локальних мереж - Ethernet, Token Ring, FDDI і т.д.

УВАГА !

В стандартах IEEE Ethernet молодший біт байта зображується в самій лівій позиції поля, а старший біт -у самій правій. Цей нестандартний спосіб відображення порядку біт у байті відповідає порядку передачі біт у лінію зв'язку передавачем Ethernet. У стандартах інших організацій, наприклад RFC IETF, ITU-T, ISO, використовується традиційне представлення байта, коли молодший біт вважається самим правим бітом байта, а старший - самим лівим. При цьому порядок проходження байтів залишається традиційним. Тому при читанні стандартів, опублікованих цими організаціями, а також читанні даних, відображуваних на екрані операційною системою чи аналізатором протоколів, значення кожного байта кадру Ethernet потрібно дзеркально відобразити, щоб одержати правильне представлення про значення розрядів цього байта відповідно до документів IEEE. Наприклад, групова адреса, наявна у нотації IEEE має вигляд 1000 0000 0000 0000 10100111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 чи в шістнадцятковому записі 80-00-A7-FO-00-00, буде, швидше за все, відображена аналізатором протоколів у традиційному виді як 01-00-5E-OF-00-00.

Адреса джерела (Source Address, SA) — це 2-чи 6-байтовое поле, що містить адресу вузла — відправника кадру. Перший біт адреси завжди має значення 0.

Довжина (Length, L) — 2-байтовое поле, що визначає довжину полючи даних у кадрі.

Поле даних (Data) може містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина нуля менше 46 байт, то використовується наступне поле — поле заповнення, — щоб доповнити кадр до мінімально припустимого значення в 46 байт.

Поле заповнення (Padding) складається з такої кількості байт заповнювачів, що забезпечує мінімальну довжину поля даних у 46 байт. Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, то поле заповнення в кадрі не з'являється.

Поле контрольної суми (Frame Check Sequence. FCS) складається з 4 байт, вміщуючих контрольну суму. Це значення обчислюється за алгоритмом CRC-32. Після одержання кадру робоча станція виконує власне обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює отримане значення зі значенням поля контрольної суми і, таким чином, визначає, чи не перекручений отриманий кадр.

Кадр 802.3 є кадром МАС-підрівня тому у відповідності до стандарту 802.2 в його поле даних вкладається кадр підрівня LLC з вилученими прапорами початку і кінця кадру. Формат кадру LLC був описаний вище. Тому що кадр LLC має заголовок довжиною 3 (у режимі I.LC1) чи 4 байт (у режимі LLC2), то максимальний розмір поля даних зменшується  до 1497 чи 1496 байт 

Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

Кадр Raw 802.3,  також званий кадром Novell 802.3, представлений на мал. 3.6. З малюнка видно, що це кадр підрівня MAC стандарту 802.3, але без вкладеного кадру підрівня LLC. Компанія Novell довгий час не використовувала службові поля кадру LLC у своїй операційній системі NetWare через відсутність необхідності ідентифікувати тип інформації, вкладеної в поле даних, — там завжди знаходився пакет протоколу IPX, довгий час був єдиним протоколом мережного рівня в ОС NetWare.

Тепер, коли необхідність ідентифікації протоколу верхнього рівня з'явилася, компанія Novell стала використовувати можливість інкапсуляції в кадр підрівня MAC кадру LLC, тобто використовувати стандартні кадри 802.3/LLC. Такий кадр компанія позначає тепер у своїх операційних системах як кадр 802.2, хоча він є комбінацією заголовків 802.3 і 802.2.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Кадр Ethernet DIX, який також зветься  кадром Ethernet II, має структуру (див. мал. 3.6), що збігається зі структурою кадру Raw 802.3. Однак 2-байтовое поле Довжина (L) кадру Raw 802.3 у кадрі Ethernet DIX використовується в якості поля типу протоколу. Це поле, що тепер одержало назву Type (Т) чи EtherType, призначено для тих ж цілей, що і поля DSAP і SSAP кадру LLC — для вказівки типу протоколу верхнього рівня, що вклали в свій пакет у поле даних цього кадру.

У той час як коди протоколів в полях SAP мають довжину в один байт, у поле Type для коду протоколу виділяються 2 байти. Тому той самий протокол у поле SAP і поле Type буде кодуватися в загальному випадку різними числовимиз наченнями. Наприклад, протокол IP має код 204810; (0х0800) для поля EtherType і значення 6 для поля SAP. Значення кодів протоколів для поля EtherType з'явилися раніш значень SAP, тому що фірмова версія Ethernet DIX існувала до появи стандарту 802.3, і вчасно поширення устаткування 802.3 уже стали стандартами де-факто для багатьох апаратних і програмних продуктів. Тому що структури кадрів Ethernet DIX і Raw 802.3 збігаються, те поле довжини/типу часто в документації позначають як поле L/T.

Кадр Ethernet SNAP

Для усунення різнобою в кодуваннях типів протоколів, повідомлення яких вкладені в поле даних кадрів Ethernet, комітетом 802.2 були проведені робота з подальшої стандартизації кадрів Ethernet. У результаті з'явився кадр Ethernet SNAP (SNAP — SubNetwork Access Protocol, протокол доступу до підмереж). Кадр Ethernet SNAP (див. мал. 3.6) являє собою розширення кадру 802.3/LLC за рахунок уведення додаткового заголовка протоколу SNAP, що складає з двох полів: OUI і Type. Поле Type складається з 2-х байт і повторює по форматі і призначенню поле Type кадру Ethernet II (тобто в ньому використовуються ті ж значення кодів протоколів). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) визначає ідентифікатор організації, що контролює коди протоколів у поле Type. За допомогою заголовка SNAP досягнута сумісність з кодами протоколів у кадрах Ethernet II, а також створена універсальна схема кодування протоколів. Коди протоколів для технологій 802 контролює IEEE, що має OUI, рівний 000000. Якщо в майбутньому будуть потрібні інші коди протоколів для якої-небудь нової технології, для цього досить вказати інший ідентифікатор організації, що призначає ці коди, а старі значення кодів залишаться в силі  (у сполученні з іншим ідентифікатором OUI).

Тому що SNAP являє собою протокол, вкладений в протокол LLC, то в полях DSAP і SSAP записується код 0хАА, відведений для протоколу SNAP. Поле Control заголовка LLC встановлюється в 0х03, що відповідає використанню ненумерованих кадрів.

Заголовок SNAP є доповненням до заголовка LLC. тому він припустимий не тільки в кадрах Ethernet, але й у кадрах протоколів інших технологій 802. Наприклад, протокол IP завжди використовує структуру заголовків LLC/SNAP при інкапсуляції в кадри всіх протоколів локальних мереж: FDDI, Token Ring, 100VG-AnyLAN, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

При передачі пакетів IP через мережі Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet протокол IP використовує кадри Ethernet DIX.

Використання різних типів кадрів Ethernet

Автоматичне розпізнавання типів кадрів Ethernet виконується досить нескладно. Для кодування типу протоколу в полі EtherType вказуються значення, що перевищують значення максимальної довжини нуля даних, рівне 1500, тому кадри Ethernet ІІ легко відрізнити від інших типів кадрів за значенням поля L/T. Подальше розпізнавання типу кадру проводиться по наявності чи відсутності полів LLC. Поля LLC можуть бути відсутніми тільки в тому випадку, якщо за полем довжини йде початок пакета IPX, а саме 2-байтовое поле контрольної суми пакета, що завжди заповнюється одиницями, що дає значення в 255 байт. Ситуація, коли поля DSAP і SSAP одночасно містять такі значення, виникнути не може, тому наявність двох байт 255 говорить про те, що це кадр Raw 802.3. В інших випадках подальший аналіз проводиться в залежності від значень полів DSAP і SSAP. Якщо вони дорівнюють 0хАА, то це кадр Ethernet SNAP, а якщо ні, то 802.3/LLC.

У табл. 3.2 приведені дані про те, які типи кадрів Ethernet звичайно підтримують реалізації популярних протоколів мережного рівня.

Таблиця 3.2. Типи кадрів Ethernet, що підтримують реалізації популярних протоколів мережного рівня
Тип кадру	Мережеві протоколи
Ethernet II	IPX, IP, AppleTalk Phase I
Ethernet 802.3	IPX
Ethernet 802.2	IPX, FTAM
Ethernet SNAP	IPX, IP, AppleTalk, Phase II

Попередня	Перша	Наступна

Токовое зеркало — генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. "Копируемый" ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало – это просто идеальный инвертируюший операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока .Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемахблагодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.

Содержание   [убрать]  1 Характеристики токового зеркала 2 Практические приближения 3 Реализация схем токовых зеркал 3.1 Основная идея 3.2 Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли 3.3 Простейшее транзисторное токовое зеркало 3.4 Схема Уилсона 3.5 Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока 4 Смотри также 5 Литература 6 Ссылки

[править]Характеристики токового зеркала

Есть три основные характеристики, которые характеризуют текущее зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока CCSШаблон:Какого? источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация – это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

[править]Практические приближения

Для анализа в режиме малого сигнала токовое зеркало можно приблизить его эквивалентным сопротивлением Нортона. In large-signal hand analysis, текущее зеркало, как правило, просто заменяется идеальным источником тока. Тем не менее, идеальный источник тока не является эквивалентом в нескольких отношениях:

он имеет бесконечное сопротивление переменного тока, в то время как реальное зеркало имеет конечное сопротивление

он обеспечивает один и тот же ток, независимо от напряжения, то есть, нет никаких требований по диапазону соответствия

он не имеет ограничений по частоте, в то время как реальное зеркало имеет свои ограничения из-за паразитных емкостей транзисторов

идеальный источник не чувствителен ко внешним эффектам, таким как шум, перепадам напряжения источника питания и допускам на элементы схемы.

[править]Реализация схем токовых зеркал

Пример включения токового зеркала на биполярных транзисторах

[править]Основная идея

Биполярный транзистор может быть использован в качестве простейшего преобразователя тока, но его коэффициент передачи сильно зависит от колебаний температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для устранения этих нежелательных помех токовое зеркало состоит из двух каскадно соединенных «ток — напряжение» и «напряжение — ток» преобразователей, размещёных при одинаковых условиях и имеющих обратные характеристики. Не обязательно, чтобы они были линейными, единственным требованием является их «зеркальность» (например, в транзисторном токовом зеркале ниже они логарифмические и экспоненциальные). Как правило, используются два одинаковых преобразователей, но характерный обращаются с применением отрицательной обратной связи. Таким образом, текущее зеркало состоит из двух каскадных одинаковых преобразователей (первый - обратный, и второй - прямой).

Работа токового зеркала «программируется» путём задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение Uвэ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор T2, согласованный с транзистором T1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), предаёт в нагрузку такой же ток, что задан на T1.

Классические схемы токового зеркала

Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что её диапазон устойчивости по напряжению Ukk за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе.Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора . В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды. Падения напряжения на которых мало по сравнению с Ukk, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

под рукой есть много согласованных транзисторов

разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задаётся с помощью внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

[править]Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы.

График зависимости коллекторного тока

Схема высококачественного источника тока

Если же нужен более высококачественный источник тока(чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема , показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема – гораздо лучший источник тока. Так как в ней изменения напряжения Uвэ , обусловленные изменениями напряжения Uкэ , оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

[править]Простейшее транзисторное токовое зеркало

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Если принять напряжение на переходе база-эмиттер транзистора в качестве входной величины и ток коллектора принять за выходную величину, то транзистор будет действовать как экспоненциальный преобразователь напряжение-ток. Применив отрицательную обратную связь (просто подсоединив к базе и коллектору) транзистор может быть «обратный», и он будет действовать как противоположный логарифмический преобразователь из тока в напряжение; теперь он будет регулировать «выходное» напряжение база-эмиттер так, чтобы преодолеть «входной» ток коллектора.

[править]Схема Уилсона

Простое токовое зеркало имеет один существенный недостаток — выходной ток в некоторых пределах меняется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление такой схемы не бесконечно. При заданном токе транзистора напряжение UБЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

На рисунке приведена схема токового зеркала Уилсона. Эта схема избавлена от описанного выше недостатка и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора фиксирован и не влияет на выходной ток.

[править]Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока

Схемы токового зеркала с двумя выходами

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий - в случае использования транзистора n-p-n типа будет предаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, даёт представленная на рисунке схема. Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения ( в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех его транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить если включить в схему ещё один транзистор.

На рисунке представлены два варианта многовыходного токового зеркала.

Многовыходовые токовые зеркала

Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициенты отражения тока задают путём выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов . Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора.

Схема со снижением выходного тока

Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса – Молда , разность напряжения Uбэ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случаеи полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

БІЛЕТ № 8

Передача сигналів у цифрових та мікропроцесорних пристроях. Сигнальні лінії підвищеної якості.

Проаналізувати основні складові відеосистеми ПК та їх функціональні зв’язки.

Діодно – транзисторна логіка.