Конспект лекцій. Чернівці 2015 2



Pdf просмотр
Сторінка7/12
Дата конвертації14.07.2017
Розмір5.01 Kb.
ТипКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Тема 7. Технологія Ethernet (802.3)
7.1

Метод доступу CSMA/CD
7.2

Формати кадрів технології Etherne
7.3

Специфікації фізичного середовища Ethernet
7.1 Метод доступу CSMA/CD. Технологія Ethernet (802.3)
Ethernet – це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, що працюють за протоколом Ethernet у цей час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів із установленими мережними адаптерами Ethernet – в 50 мільйонів.
Коли говорять Ethernet, то під цим звичайно розуміють кожен з варіантів цієї технології. У більш вузькому сенсі Ethernet – це мережний стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, що фірма Xerox розробила й реалізувала в 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніше: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіосередовища, що одержали загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, що став останньою версією фірмового стандарту
Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet

100
DIX або Ethernet II.
На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі розходження все- таки є. У той час як у стандарті IEEE 802.3 розрізняються рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень. У
Ethernet
DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet
Configuration Test Protocol), що відсутній в IEEE 802.3. Трохи відрізняється й формат кадру, хоча мінімальні й максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією
802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.
Залежно від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації – l0 Base-5, l0 Base-2, l0 Base-T, l0 Base-FL, l0 Base-FB.
У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, що багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис просто є додатковим розділом до основного стандарту 802,3 – розділом 802.3ч.
Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі
802.3z "Основні документи".
Для передачі двійкової інформації з кабелю для всіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/з, використовується манчестерський код.
Усі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують той самий метод поділу середовища передачі даних – метод
CSMA/CD.
Метод доступу CSMA/CD
У мережах Ethernet використовується метод доступу до середовища передачі даних, який називається методом колективного доступу (до якого відносяться й радіомережі, що породили цей метод). Усі комп'ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь- якими двома вузлами мережі. Одночасно всі комп'ютери мережі мають можливість негайно (з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержати дані, які кожен з комп'ютерів почав передавати на загальну шину (рис.7.1 [22]). Простота схеми підключення – це один з факторів, що визначили успіх стандарту Ethernet. Говорять, що кабель, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (Multiply
Access, MA).

101




Рис. 7.1. Метод випадкового доступу CSMA/CD Етапи доступу до
середовища
Усі основні гармоніки сигналу, що також називаються носійною частотою
(carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній носійної частоти, що при манчестерському способі кодування дорівнює 5 – 10
Мгц, залежно від послідовності одиниць і нулів, переданих у цей момент.
Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру. Цей кадр зображений на рис. 1 першим. Вузол 1 виявив, що середовище вільне, і почав передавати свій кадр. У класичній мережі Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 поширюються в обидва боки, так що всі вузли мережі їх одержують. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою
(preamble), яка складається з 7 байт, що складаються зі значень 10101010, і 8- го байта, якій дорівнює 10101011. Преамбула потрібна для входження приймача в побітовий і синхронізм із передавачем.
Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, що довідається власну адресу в заголовках кадру, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх нагору по своєму стеку, а потім посилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції джерела втримується у вихідному кадрі, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь.
Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак виявив, що середовище зайняте – на ній є присутньою носійна частота – тому вузол 2 змушений чекати, поки вузол 1 не припинить передачу кадру.
Після закінчення передачі кадру всі вузли мережі зобов'язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Ця пауза, яка називається також

102 міжкадровим інтервалом, потрібна для приведення мережних адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольного захоплення середовища однією станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадру, тому що середовище вільне. Через затримки поширення сигналу по кабелю не всі вузли строго одночасно фіксують факт закінчення передачі кадру вузлом 1.
У наведеному прикладі вузол 2 дочекався закінчення передачі кадру вузлом
1, зробив паузу в 9,6 мкс і почав передачу свого кадру.
Виникнення колізії
При описаному підході можлива ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних по загальному середовищу. Механізм прослуховування середовища й пауза між кадрами не захищають від виникнення такої ситуації, коли дві або більше станції одночасно визначають, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія (collision), тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі й відбувається перекручування інформації – методи кодування, використовувані в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції із загального сигналу.
Колізія – це нормальна ситуація в роботі мереж Ethernet. У прикладі, зображеному на рис.7. 2 , колізію породила одночасна передача даних вузлами
3 і 1. Для виникнення колізії не обов'язково, щоб кілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація малоймовірна. Набагато ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше іншого, але до другого вузла сигнали першого просто не встигають дійти на той час, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру.
Тобто колізії – це наслідок розподіленого характеру мережі.

103

Рис. 7.2. Схема виникнення й поширення колізії
Щоб коректно обробити колізію, всі станції одночасно спостерігають за виникаючими на кабелі сигналами. Якщо передані сигнали й сигнали що спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision
detection, CD). Для збільшення ймовірності якнайшвидшого виявлення колізії всіма станціями мережі станція, що виявила колізію, перериває передачу свого кадру (у довільному місці, можливо, і не на межі байта) і підсилює ситуацію колізії посиланням в мережу спеціальної послідовності з 32-х бітів, яка названа
jam-послідовністю.
Після цього передавальна станція, що виявила колізію, зобов'язана припинити передачу й зробити паузу протягом короткого випадкового інтервалу часу.
Потім вона може знову почати спробу захоплення середовища й передачі кадру. Випадкова пауза вибирається за наступним алгоритмом:
Пауза = L х (інтервал відстрочки), де інтервал відстрочки дорівнює 512 бітовим інтервалам (у технології
Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах; бітовий інтервал позначається як bt і відповідає часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі; для швидкості 10 Мбіт/с величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс або 100 нс);
L становить собою ціле число, обране з рівною ймовірністю з діапазону [0,
2
N
], де N – номер повторної спроби передачі даного кадру: 1,2,..., 10.

104
Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується.
Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс.
Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби й відкинути цей кадр.
З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і ймовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреби в передачі кадрів. При розробці цього методу наприкінці 70- х років передбачалося, що швидкість передачі даних в 10 Мбіт/с дуже висока в порівнянні з потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликим. Це припущення залишається
іноді справедливим і донині, однак уже з'явилися додатки, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією, які дуже завантажують сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають набагато частіше. При значній
інтенсивності колізій корисна пропускна здатність мережі Ethernet різко падає, тому що мережа майже постійно зайнята повторними спробами передачі кадрів.
Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів у сегменті або замінивши додаток, або підвищити швидкість протоколу, наприклад, перейти на Fast Ethernet.
Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD взагалі не гарантує станції, що вона коли-небудь зможе одержати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, така подія стає дуже ймовірною. Недолік методу випадкового доступу
– плата за його надзвичайну простоту –що зробив технологію Ethernet самої недорогою. Інші методи доступу – маркерний доступ мереж Token Ring і
FDDI, метод Demand Priority мереж 100 VG-AnyLAN – вільні від цього недоліку.
Час подвійного обороту й розпізнавання колізій
Чітке розпізнавання колізій усіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Якщо яка-небудь передавальна станція не розпізнає колізію й вирішить, що кадр даних нею переданий правильно, то цей кадр даних буде загублений. Через накладення сигналів при колізії
інформація кадру спотвориться, і він буде відбракований приймаючою станцією
(можливо, через розбіжність контрольної суми). Швидше за все, перекручена
інформація буде повторно передана яким-небудь протоколом верхнього рівня, наприклад, транспортним або прикладним, працюючим із установленням

105 з'єднання. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через значно більш тривалий інтервал часу (іноді навіть через кілька секунд) у порівнянні з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол
Ethernet. Тому якщо колізії не будуть надійно розпізнаватися вузлами мережі
Ethernet, то це призведе до помітного зниження корисної пропускної здатності даної мережі.
Для надійного розпізнавання колізій повинно виконуватися наступне співвідношення:
Tmin ≥ PDV, де Тmin – час передачі кадру мінімальної довжини, a PDV – час, за який сигнал колізії встигає поширитися до самого далекого вузла мережі.
Тому що в найгіршому разі сигнал повинен пройти двічі між найбільш вилученими одна від одної станціями мережі (в одну сторону проходить неспотворений сигнал, а по дорозі назад поширюється вже перекручений колізією сигнал), то цей час називається часом подвійного обороту (Path Delay
Value, PDV).
При виконанні цієї умови передавальна станція повинна встигати виявити колізію, що викликав переданий нею кадр, ще до того, як вона закінчить передачу цього кадру.
Очевидно, що виконання цієї умови залежить, з одного боку, від довжини мінімального кадру й пропускної здатності мережі, а з іншого боку, від довжини кабельної системи мережі й швидкості поширення сигналу в кабелі (для різних типів кабелю ця швидкість трохи відрізняється).
Усі параметри протоколу Ethernet підібрані таким чином, щоб при нормальній роботі вузлів мережі колізії завжди чітко розпізнавалися. При виборі параметрів, звичайно, ураховувалося й наведене вище співвідношення, що зв'язує між собою мінімальну довжину кадру й максимальну відстань між станціями в сегменті мережі.
У стандарті Ethernet прийнято, що мінімальна довжина поля даних кадру становить 46 байт (що разом зі службовими полями дає мінімальну довжину кадру 64 байт, а разом із преамбулою – 72 байт або 576 біт). Звідси можуть бути певні обмеження на відстань між станціями.
Отже, в 10-мегабітному Ethernet час передачі кадру мінімальної довжини дорівнює 575 бітовим інтервалам, отже, час подвійного обороту повинен бути меншим 57,5 мкс. Відстань, що сигнал може пройти за цей час, залежить від типу кабелю й для товстого коаксіального кабелю дорівнює приблизно 13 280 м. З огляду на те, що за цей час сигнал повинен пройти по лінії зв'язку двічі, відстань між двома вузлами не повинна бути більше 6 635 м. У

106 стандарті величина цієї відстані обрана істотно меншою, з обліком інших, більш суворих обмежень.
Одне з таких обмежень пов'язане із гранично припустимим загасанням сигналу. Для забезпечення необхідної потужності сигналу при його проходженні між найбільш вилученими одна від одної станціями сегмента кабелю максимальна довжина безперервного сегмента товстого коаксіального кабелю з обліком внесеного їм загасання обрана в 500 м. Очевидно, що на кабелі в 500 м умови розпізнавання колізій будуть виконуватися з більшим запасом для кадрів будь-якої стандартної довжини, у тому числі й 72 байт (час подвійного обороту по кабелю 500 м становить усього 43,3 бітових інтервалів). Тому мінімальна довжина кадру могла б бути встановлена ще меншою. Однак розроблювачі технології не стали зменшувати мінімальну довжину кадру, маючи на увазі багатосегментні мережі, які будуються з декількох сегментів, з'єднаних повторювачами.
Повторювачі збільшують потужність переданих із сегмента на сегмент сигналів, у результаті загасання сигналів зменшується й можна використовувати мережу набагато більшої довжини, що складає з декількох сегментів. У коаксіальних реалізаціях Ethernet розроблювачі обмежили максимальну кількість сегментів у мережі п'ятьма, що у свою чергу обмежує загальну довжину мережі 2500 метрами. Навіть у такій багатосегментній мережі умова виявлення колізій як і раніше виконується з більшим запасом
(порівняємо отриману за умови припустимого загасання відстань в 2500 м з обчисленою вище максимально можливою за часом поширення сигналу відстанню 6635 м). Однак у дійсності часовий запас є істотно меншим, оскільки в багатосегментних мережах самі повторювачі вносять у поширення сигналу додаткову затримку в кілька десятків бітових інтервалів. Невеликий запас був зроблений також для компенсації відхилень параметрів кабелю й повторювачів.
У результаті обліку всіх цих і деяких інших факторів було ретельно підібране співвідношення між мінімальною довжиною кадру й максимально можливою відстанню між станціями мережі, що забезпечує надійне розпізнавання колізій. Цю відстань називають також максимальним діаметром мережі.
У табл. 7.1. наведені значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3, які не залежать від реалізації фізичного середовища.
Важливо відзначити, що кожний варіант фізичного середовища технології
Ethernet додає до цих обмежень свої, часто більше суворі обмеження, які також повинні виконуватися і які будуть розглянуті нижче.

107
Таблиця 7.1.
Параметри рівня MAC Ethernet
Параметри
Значення
Бітова швидкість
10 Мбіт/с
Інтервал відстрочення
512 бітових інтервалів
Міжкадровий інтервал(IPG)
9,6 мкс
Максимальне число спроб передачі
16
Максимальне число зростання діапазону паузи
10
Довжина jam-послідовності
32 біта
Максимальна довжина кадру (без преамбули)
1518 байт
Мінімальна довжина кадру (без преамбули)
64 байт (512 бітів)
Довжина преамбули
64 біт
Мінімальна довжина випадкової паузи після колізії
0 бітових інтервалів
Максимальна довжина випадкової паузи після колізії
524 000 бітових інтервалів
Максимальна відстань між станціями мережі
2500 м
Максимальне число станцій в мережі
1024
Зі збільшенням швидкості передачі кадрів, що має місце в нових стандартах, які базуються на тому же методі доступу CSMA/CD, наприклад,
Fast Ethernet, максимальна відстань між станціями мережі зменшується пропорційно збільшенню швидкості передачі. У стандарті Fast Ethernet вона становить близько 210 м, а в стандарті Gigabit Ethernet вона була б обмеженою 25 метрами, якби розроблювачі стандарту не почали деяких заходів щодо збільшення мінімального розміру пакета.
Максимальна продуктивність мережі Ethernet
Кількість оброблюваних кадрів Ethernet у секунду часто вказується виробниками мостів/комутаторів і маршрутизаторів як основна характеристика продуктивності цих пристроїв. У свою чергу, цікаво знати чисту максимальну пропускну здатність сегмента Ethernet у кадрах у секунду в ідеальному випадку, коли в мережі немає колізій і немає додаткових затримок, внесених мостами й маршрутизаторами.
Такий показник допомагає оцінити вимоги до продуктивності комунікаційних пристроїв, тому що в кожний порт пристрою не може надходити більше кадрів в одиницю часу, чим дозволяє це зробити відповідний протокол.
Для комунікаційного встаткування найбільш важким режимом є обробка кадрів мінімальної довжини. Це пояснюється тим, що на обробку кожного кадру міст, комутатор або маршрутизатор витрачає приблизно той саме час,

108 пов'язаний з переглядом таблиці просування пакета, формуванням нового кадру
(для маршрутизатора) і т. п. А кількість кадрів мінімальної довжини, що надходять на пристрій в одиницю часу, природно більше, ніж кадрів будь-якої
іншої довжини. Інша характеристика продуктивності комунікаційного встаткування – біт у секунду – використовується рідше, тому що вона не говорить про те, якого розміру кадри при цьому обробляв пристрій, а на кадрах максимального розміру досягти високої продуктивності, вимірюваної в бітах у секунду, набагато легше.
Використовуючи параметри, наведені в табл.7.1, розрахуємо максимальну продуктивність сегмента Ethernet у таких одиницях, як число переданих кадрів
(пакетів) мінімальної довжини в секунду.
Для розрахунку максимальної кількості кадрів мінімальної довжини, що проходять по сегменту Ethernet, помітимо, що розмір кадру мінімальної довжини разом із преамбулою становить 72 байт або 576 біт (рис.7.3[29]), тому на його передачу затрачається 57,5 мкс. Додавши міжкадровий інтервал в 9,6 мкс, одержуємо, що період проходження кадрів мінімальної довжини становить 67,1 мкс. Звідси максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet становить 14 880 кадр/с.
Рис. 7. 3. До розрахунків пропускної здатності протоколу Ethernet
Природно, що наявність у сегменті декількох вузлів знижує цю величину за рахунок очікування доступу до середовища, а також за рахунок колізій, що приводять до необхідності повторної передачі кадрів. Кадри максимальної довжини технології Ethernet мають поле довжини
1500 байт, що разом зі службовою інформацією дає 1518 байт, а із преамбулою становить 1526 байт або 12 208 біт. Максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet для кадрів максимальної довжини становить 813 кадр/с. Очевидно, що при роботі з більшими кадрами навантаження на мости, комутатори й маршрутизатори досить відчутно знижується.
Тепер розрахуємо, якою максимально корисною пропускною здатністю в біт у секунду володіють сегменти Ethernet при використанні кадрів різного розміру.
Під корисною пропускною здатністю протоколу розуміється швидкість передачі користувальницьких даних, які переносяться полем даних кадру. Ця пропускна здатність завжди менше номінальної бітової швидкості протоколу

109
Ethernet за рахунок декількох факторів: службової інформації кадру; міжкадрових
інтервалів (IPG); очікування доступу до середовища.
Для кадрів мінімальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:
СП =14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбіт/с.
Це набагато менше 10 Мбіт/с, але варто врахувати, що кадри мінімальної довжини використовуються в основному для передачі квитанцій, так що до передачі власне даних файлів ця швидкість відношення не має.
Для кадрів максимальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:
СП = 813 х 1500 х 8 =9,76 Мбіт/с, що досить близько до номінальної швидкості протоколу.
Ще раз підкреслимо, що такої швидкості можна досягти тільки в тому випадку, коли двом взаємодіючим вузлам у мережі Ethernet інші вузли не заважають, що буває вкрай рідко.
При використанні кадрів середнього розміру з полем даних в 512 байт пропускна здатність мережі складе 9,29 Мбіт/с, що теж досить близько до граничної пропускної здатності в 10 Мбіт/с.
При відсутності колізій і очікування доступу коефіцієнт використання мережі залежить від розміру поля даних кадру й має максимальне значення 0,976 при передачі кадрів максимальної довжини. Очевидно, що в реальній мережі
Ethernet середнє значення коефіцієнта використання мережі може значно відрізнятися від цієї величини. Більш складні випадки визначення пропускної здатності мережі з урахуванням очікування доступу й відпрацьовування колізій будуть розглянуті нижче.

7.2 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 повинен вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі IEEE 802.2, то за стандартами
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'язане із тривалою історією розвитку технології Ethernet, що нараховує період існування до прийняття стандартів IEEE
802, коли підрівень LLC не виділявся із загального протоколу й, відповідно, заголовок LLC не застосовувався.
Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox в 1980 році подав на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet (у якій

110 був описаний певний формат кадру) як проект міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, що відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися й формату кадру, що породило
існування двох різних типів кадрів у мережах Ethernet.
Ще один формат кадру з'явився в результаті зусиль компанії Novell із прискорення роботи свого стека протоколів у мережах Ethernet.
І нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802.2
із приведення попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.
Розходження у форматах кадрів можуть приводити до несумісності в роботі апаратури й мережного програмного забезпечення, розрахованого на роботу тільки з одним стандартом кадру Ethernet. Однак сьогодні практично всі мережні адаптери, драйвери мережних адаптерів, мости/комутатори й 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, які відносяться до канального рівня, тобто поля
MAC і LLC рівнів). Той самий тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру наведено декілька найбільш уживаних назв: кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 або кадр Novell 802.2); кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3); кадр Ethernet DIX (або кадр Ethernet II); кадр Ethernet SNAP.
Формати всіх цих чотирьох типів кадрів Ethernet наведені на рис.7. 4.
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 (рис. 4; поле преамбули й початковий обмежник кадру на малюнку не показані).
Поле преамбули (Preamble) складається із семи синхронізуючих байтів
10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом із частотою 5 МГц.
Початковий обмежник кадру (of-frame-delimiter, SFD) складається з одного байта
10101011. Поява цієї комбінації біт є зазначенням того, що наступний байт – це перший байт заголовка кадру.
Кадр 802.2/LLC
6 6
2 1 1
1(2)
46-1497(1496)
4
D
A
S
A
L DSA
P
SSAP Contr ol
Data
FCS
Заголовок LLC

111

Кадр RAW 802.2/Novell 802.3 6
6 2 46-1500 4
D
A
S
A
L Data
FCS
Кадр Ethernet DIX(II)
6 6
2 46-1500 4
D
A
S
A
T Data
FCS
Кадр Ethernet SNAP
6 6
2 1 1
1 3
2 46-1492 4
D
A
S
A
L DSA
P
SSAP Contr ol
OUI
T
Data
FCS
AA
AA
03 000000

Заголовок LLC
Заголовок
SNAP
Рис.7. 4. Формати кадрів Ethernet
Кадр 802.3/LLC
Адреса призначення (Destination Address, DA) може бути довжиною 2 або 6 байт. На практиці завжди використовуються адреси з 6 байт. Перший біт старшого байта адреси призначення є ознакою того, чи є адреса
індивідуальною або груповою. Якщо він дорівнює 0, то адреса є індивідуальною
(unicast), a якщо 1, то це групова адреса (multicast). Групова адреса може призначатися всім вузлам мережі або ж певній групі вузлів мережі. Якщо адреса складається із усіх одиниць, тобто має шістнадцятирічне подання
0*FFFFFFFFFFFF, то вона призначається всім вузлам мережі й називається
широкомовною адресою (broadcast). В інших випадках групова адреса пов'язана тільки з тими вузлами, які конфігуровані (наприклад, вручну) як члени групи, номер якої зазначений у груповій адресі. Другий біт старшого байта адреси визначає спосіб призначення адреси – централізований або локальний. Якщо цей біт дорівнює 0 (що буває майже завжди в стандартній апаратурі Ethernet), то адреса призначена централізовано, за допомогою комітету IEEE. Комітет IEEE розподіляє між виробниками встаткування так звані організаційно унікальні
ідентифікатори (Organizationally Unique Identifier, OUI). Цей ідентифікатор міститься в 3 старших байтах адреси (наприклад, ідентифікатор 000081 визначає компанію Bay Networks). За унікальність молодших 3-х байт адреси відповідає

112 виробник устаткування. Двадцять чотири біти, що відводяться виробникові для адресації інтерфейсів його продукції, дозволяють випустити 16 мільйонів
інтерфейсів під одним ідентифікатором організації. Унікальність адрес, що розподіляються централізовано, поширюється на всі основні технології локальних мереж – Ethernet, Token Ring, FDDI і т. д.
Адреса джерела (Source Address, SA) – це 2- або 6-байтове поле, що містить адреса вузла – відправника кадру. Перший біт адреси завжди має значення 0.
Довжина (Length, L) – 2-байтове поле, що визначає довжину поля даних у кадрі.
Поле даних (Data) може містити від 0 до 1500 байтів. Але якщо довжина поля менше 46 байтів, то використовується наступне поле – поле заповнення,
– щоб доповнити кадр до мінімально припустимого значення в 46 байтів.
Поле заповнення (Padding) складається з такої кількості байтів заповнювачів, що забезпечує мінімальну довжину поля даних в 46 байтів. 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 байтів, що містять 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 й, таким чином, визначає, чи не перекручений отриманий кадр.
Кадр 802.3 є кадром МАС-підрівня, тому у відповідності зі стандартом 802.2 у його поле даних вкладається кадр підрівня LLC з вилученими прапорами початку й кінця кадру. Формат кадру LLC був описаний вище. Через те що кадр LLC має заголовок довжиною 3 (у режимі LLC1) або 4 байтів (у режимі
LLC2), то максимальний розмір поля даних зменшується до 1497 або 1496 байтів.

7.3Специфікації фізичного середовища Ethernet
Історично перші мережі технології Ethernet були створені на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма. Надалі визначені й інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, що дозволяють використовувати різні середовища передачі даних. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються тими самими для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.
Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступні середовища передачі даних:

113 10Base-5 – коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, який називається "товстим" коаксіальним кабелем. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента – 500 метрів (без повторювачів).
10Base-2 – коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, який називається "тонким" коаксіальним кабелем. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента – 185 метрів (без повторювачів).
10Base-T – кабель на основі неекранованої крученої пари (Unshielded
Twisted Pair, UTP). Утворить зіркоподібну топологію на основі концентратора.
Відстань між концентратором і кінцевим вузлом – не більше 100 м.
10Base-F – волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту 10Base-T. Є кілька варіантів цієї специфікації – FOIRL (відстань до
1000 м), 10Base-FL (відстань до 2000 м), 10Base-FB (відстань до 2000 м).
Число 10 у зазначених вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів – 10 Мбіт/с, а слово Base - метод передачі на одній базовій частоті 10 МГЦ (на відміну від методів, що використовують кілька носійних частот, які називаються Broadband – широкосмуговими). Останній символ у назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.
Стандарт 10 Base-5
Стандарт 10Base-5 в основному відповідає експериментальній мережі
Ethernet фірми Xerox і може вважатися класичним Ethernet. Він використовує як середовище передачі даних коаксіальний кабель із хвильовим опором 50 Ом, діаметром центрального мідного проведення 2,17 мм
і зовнішнім діаметром близько 10 мм ("товстий" Ethernet). Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-SHRG-ll.
Різні компоненти мережі, що складається із трьох сегментів, з'єднаних повторювачами, виконаної на товстому коаксіальному кабелі, наведені на рис. 5
Рис.7. 5. Компоненти фізичного рівня мережі стандарту 10 Base-5, що
складається із трьох сегментів
Кабель використовується як моноканал для всіх станцій. Сегмент кабелю

114 має максимальну довжину 500 м (без повторювачів) і повинен мати на кінцях
термінатори, опором 50 Ом, що поглинають сигнали, які поширюються по кабелю, і перешкоджають виникненню відбитих сигналів. При відсутності термінаторів ("заглушок") у кабелі виникають стоячі хвилі, так що одні вузли одержують потужні сигнали, а інші – настільки слабкі, що їхній прийом стає неможливим.
Станція повинна підключатися до кабелю за допомогою приймача –
трансівера (transmitter + Teceiver = transceiver). Трансівер установлюється безпосередньо на кабелі й харчується від мережного адаптера комп'ютера.
Трансівер може приєднуватися до кабелю як методом проколювання, що забезпечує безпосередній фізичний контакт, так і безконтактним методом.
Трансівер з'єднується з мережним адаптером інтерфейсним кабелем А VI
(Attachment Unit Interface) довжиною до 50 м, що складається з 4 кручених пар (адаптер повинен мати рознімання AUI). Наявність стандартного
інтерфейсу між трансівером і іншою частиною мережного адаптера дуже корисна при переході з одного типу кабелю на іншій. Для цього досить тільки замінити трансівер, а інша частина мережного адаптера залишається незмінною, тому що вона відпрацьовує протокол рівня MAC. При цьому необхідно тільки, щоб новий трансівер (наприклад, трансівер для крученої пари) підтримував стандартний інтерфейс AUI. Для приєднання до інтерфейсу
AUI використовується рознімання DB-15.
Допускається підключення до одного сегмента не більше 100 трансіверів, причому відстань між підключеннями трансіверів не повинна бути меншою 2,5 м. На кабелі є розмітка через кожні 2,5 м, що позначає точки підключення трансіверів. При приєднанні комп'ютерів відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль у кабелі на мережні адаптери зводиться до мінімуму.
Трансівер – це частина мережного адаптера, що виконує наступні функції: прийом і передача даних з кабелю на кабель; визначення колізій на кабелі; електрична розв'язка між кабелем і іншою частиною адаптера; захист кабелю від некоректної роботи адаптера.
Останню функцію іноді називають "контролем балакучості", що є буквальним перекладом відповідного англійського терміна (jabber control). При виникненні несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель буде безупинно видаватися послідовність випадкових сигналів. Через те кабель – це загальне середовище для всіх станцій, то робота мережі буде заблокована одним несправним адаптером. Щоб цього не трапилося, на виході передавача ставиться схема, що перевіряє час передачі кадру. Якщо

115 максимально можливий час передачі пакета перевищується (з деяким запасом), то ця схема просто від'єднує вихід передавача від кабелю. Максимальний час передачі кадру (разом із преамбулою) дорівнює 1221 мкс, а час jabber- контролю встановлюється рівним 4000 мкс (4 мс).
Спрощена структурна схема трансівера наведена на рис. 7 . 6. Передавач і приймач приєднуються до однієї точки кабелю за допомогою спеціальної схеми, наприклад трансформаторної, що дозволяє організувати одночасну передачу й прийом сигналів з кабелю.
Рис.7. 6. Структурна схема трансівера
Детектор колізій визначає наявність колізії в коаксіальному кабелі за підвищеним рівнем постійної складової сигналів. Якщо постійна складова перевищує певний поріг (близько 1,5 В), виходить, на кабель працює більше одного передавача. елементи, що розв'язують (РЕ) забезпечують гальванічну розв'язку трансівера від іншої частини мережного адаптера й тим самим захищають адаптер і комп'ютер від значних перепадів напруги, що виникають на кабелі при його ушкодженні.
Стандарт 10 Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою – повторювача (repeator). Повторювач служить для об'єднання в одну мережу декількох сегментів кабелю й збільшення тим самим загальної довжини мережі. Повторювач приймає сигнали з одного сегмента кабелю й побітно синхронно повторює їх в іншому сегменті, поліпшуючи форму й потужність імпульсів, а також синхронізуючи імпульси. Повторювач складається з двох (або декількох) трансиверів, які приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації переданих біт повторювач затримує передачу декількох перших біт преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру із

116 сегмента на сегмент, а також трохи зменшується міжкадровий інтервал IPG.
Стандарт дозволяє використання в мережі не більше 4 повторювачів і, відповідно, не більше 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі l0
Base-5 в 2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами повинні бути ненавантажені сегменти, так що максимальна конфігурація мережі становить два навантажених крайніх сегменти, які з'єднуються ненавантаженими сегментами ще з одним центральним навантаженим сегментом. На рис. 5 був наведений приклад мережі Ethernet, що складається із трьох сегментів, об'єднаних двома повторювачами. Крайні сегменти є навантаженими, а проміжний – ненавантаженим.
Правило застосування повторювачів у мережі Ethernet 10 Base-5 називається "Правилом 5 – 4 – 3: 5 сегментів, 4 повторювачі, 3 навантажених сегменти. Обмежене число повторювачів пояснюється додатковими затримками поширення сигналу, які вони вносять. Застосування повторювачів збільшує час подвійного поширення сигналу, що для надійного розпізнавання колізій не повинен перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байт або 576 біт.
Стандарт 10Base-2
Стандарт 10Base-2 використовує як передавальне середовище коаксіальний кабель із діаметром центрального мідного проведення 0,89 мм і зовнішнім діаметром близько 5 мм ("тонкий" Ethernet). Кабель має хвильовий опір 50 Ом.
Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-58 /U, RG-58 A/U, RG-58
C/U.
Максимальна довжина сегмента без повторювачів становить 185 м, сегмент повинен мати на кінцях термінатори, що погодять, 50 Ом. Тонкий коаксіальний кабель дешевше товстого, через що мережі 10Base-2 іноді називають мережами
Cheapemet (від cheaper – більш дешевий). Але за дешевину кабелю доводиться розплачуватися якістю – "тонкий" коаксіал має гіршу перешкодозахищеність, гіршу механічну міцність й більш вузьку смугу пропущення.
Станції підключаються до кабелю за допомогою високочастотного BNC Т- конектора, що становить трійник, один відвід якого з'єднується з мережним адаптером, а два інших – із двома кінцями розриву кабелю. Максимальна кількість станцій, що підключаються до одного сегмента –30. Мінімальна відстань між станціями – 1м. Кабель "тонкого" коаксіала має розмітку для підключення вузлів із кроком в 1 м.

117
Стандарт
10Base-2 також передбачає використання повторювачів, застосування яких також повинне відповідати "Правилу 5 – 4 – 3". У цьому випадку мережа буде мати максимальну довжину в 5х185 = 925 м. Очевидно, що це обмеження є більше сильним, чим загальне обмеження в 2500 метрів.
Стандарт 10Base-2 дуже близький до стандарту 10 Base-5. Але трансівери в ньому об'єднані з мережними адаптерами за рахунок того, що більш гнучкий тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного рознімання плати мережного адаптера, установленої в шасі комп'ютера.
Кабель у цьому випадку "висить" на мережному адаптері, що утрудняє фізичне переміщення комп'ютерів.
Типовий склад мережі стандарту 10 Base-2, що складається з одного сегмента кабелю, наведений на рис. 7. 7 [27].
Рис. 7. 7. Мережа стандарту 10 Base-2
Реалізація цього стандарту на практиці приводить до найбільш простого рішення для кабельної мережі, тому що для з'єднання комп'ютерів потрібні тільки мережні адаптери, Т-конектори й термінатори 50 Ом. Однак цей вид кабельних з'єднань найбільше сильно підданий аваріям і збоям: кабель більш сприйнятливий до перешкод, чим "товстий" коаксіальний кабель, у моноканалі
є велика кількість механічних з'єднань (кожний Т-конектор дає три механічних з'єднання, два з яких мають життєво важливе значення для всієї мережі), користувачі мають доступ до рознімань і можуть порушити цілісність моноканала.
Крім того, естетика й ергономічність цього рішення залишають бажати кращого, тому що від кожної станції через Т-конектор відходять два досить помітних проведення, які під столом часто утворюють моток кабелю – запас, необхідний на випадок навіть невеликого переміщення робочого місця.
Загальним недоліком стандартів 10 Base-5 і 10 Base-2 є відсутність оперативної інформації про стан моноканала. Ушкодження кабелю виявляється відразу ж (мережа перестає працювати), але для пошуку відрізка, що відмовив, кабелю необхідний спеціальний прилад – кабельний тестер.
Стандарт 10 Bаse-T
Стандарт прийнятий у 1991 році, як доповнення до існуючого набору

118 стандартів Ethernet, і має позначення 802.3L.
Мережі 10 Base-T використовують як середовище дві неекрановані кручені
пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Багатопарний кабель на основі неекранованої крученої пари категорії 3 (категорія визначає смугу пропущення кабелю, величину перехресних наведень NEXT і деякі інші параметри його якості) телефонні компанії вже досить давно використовували для підключення телефонних апаратів усередині будівель. Цей кабель носить також назву Voice
Grade, що говорить про те, що він призначений для передачі голосу.
Ідея пристосувати цей популярний вид кабелю для побудови локальних мереж виявилася дуже плідною, тому що багато будівель уже були оснащені потрібною кабельною системою. Залишалося розробити спосіб підключення мережних адаптерів і іншого комунікаційного встаткування до крученої пари таким чином, щоб зміни в мережних адаптерах і програмному забезпеченні мережних операційних систем були б мінімальними в порівнянні з мережами
Ethernet на коаксіальному кабелі. Це вдалося, тому перехід на кручену пару вимагає тільки заміни трансівера мережного адаптера або порту маршрутизатора, а метод доступу й всі протоколи канального рівня залишилися тими ж, що й у мережах Ethernet на коаксіальному кабелі.
Кінцеві вузли з'єднуються за топологією "точка-точка" зі спеціальним пристроєм – багатопортовим повторювачем за допомогою двох кручених пар.
Одна кручена пара потрібна для передачі даних від станції до повторювача
(вихід Тх мережного адаптера), а інша – для передачі даних від повторювача до станції (вхід Rх мережного адаптера). На рис.7.8. показаний приклад трьохпортового повторювача. Повторювач приймає сигнали від одного з кінцевих вузлів і синхронно передає їх на всі свої інші порти, крім того, з якого надійшли сигнали.
Рис. 7. 8. Мережа стандарту 10Bаse-T: Тх – передавач; Rх – приймач

119
Багатопортові повторювачі в цьому випадку звичайно називаються концентраторами (англомовні терміни – hub або concentrator). Концентратор здійснює функції повторювача сигналів на всіх відрізках кручених пар, підключених до його портів, так що утворюється єдине середовище передачі даних – логічний моноканал (логічна загальна шина). Повторювач виявляє колізію в сегменті у випадку одночасної передачі сигналів по декількох своїх
R
х-входах і посилає jam- послідовність на всі свої Тх-виходи. Стандарт визначає бітову швидкість передачі даних 10 Мбіт/с і максимальну відстань відрізка крученої пари між двома безпосередньо зв'язаними вузлами (станціями й концентраторами) не більше 100 м при наявності крученої пари якістю не нижче категорії 3. Ця відстань визначається смугою пропущення крученої пари – на довжині 100 м вона дозволяє передавати дані зі швидкістю 10 Мбіт/с при використанні манчестерського коду.
Концентратори 10Base-T можна з'єднувати один з одним за допомогою тих же портів, які призначені для підключення кінцевих вузлів. При цьому потрібно подбати про те, щоб передавач і приймач одного порту були з'єднані відповідно із приймачем і передавачем іншого порту.
Для забезпечення синхронізації станцій при реалізації процедур доступу
CSMA/CD і надійного розпізнавання станціями колізій у стандарті визначене максимальне число концентраторів між будь-якими двома станціями мережі, а саме 4. Це правило зветься "правило 4-х хабів" і воно заміняє "правило 5 – 4
– 3", застосовуване до коаксіальних мереж. При створенні мережі 10 Base-T з більшим числом станцій концентратори можна з'єднувати один з одним
ієрархічним способом, створюючи деревоподібну структуру (рис. 7.9).
Рис.7. 9. Ієрархічне з'єднання концентраторів Ethernet

120


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал