Расчет конфигурации сети Ethernet

Контр. Работа Часть 2.

Тема: Расчет конфигурации сети Ethernet

Теоретическая часть

Базовые технологии локальных сетей

Структура стандартов IEEE 802.1 - 802.5

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI – физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты, как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

• подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)
• подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

 

MAC-уровень появился  из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов MAC-уровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий как Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за достоверную  передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол MAC-уровня может применяться с  любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарт IEEE 802 содержит несколько разделов:

• В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям;
• Раздел 802.2 определяет подуровень управления логическим каналом LLC;
• Разделы 802.3 - 802.5 регламентируют спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC;
• стандарт 802.3 описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом которого является метод доступа стандарта Ethernet;
• стандарт 802.4 определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип - ArcNet;
• стандарт 802.5 описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип - Token Ring.

 

Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Все методы доступа используют протоколы уровня управления логическим каналом LLC, описанным в стандарте 802.2.

 

Протокол LLC уровня управления логическим каналом

В основу протокола LLC положен  протокол HDLC (High-level Data Link Control Procedure), широко использующийся в территориальных сетях.

 

Три типа процедур уровня LLC

В соответствии со стандартом 802.2 уровень управления логическим каналом LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

• LLC1 - сервис без установления соединения и без подтверждения;
• LLC2 - сервис с установлением соединения и подтверждением;
• LLC3 - сервис без установления соединения, но с подтверждением.

 

Этот набор процедур является общим для всех методов  доступа к среде, определенных стандартами 802.3-802.5.

Сервис без установления соединения и без подтверждения LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. Обычно, этот вид сервиса используется тогда, когда такие функции как восстановление данных после ошибок и упорядочивание данных выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на уровне LLC.

Сервис с установлением  соединений и с подтверждением LLC2 дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом  передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры  восстановления после ошибок и упорядочивание потока этих блоков в рамках установленного соединения. Протокол LLC2 во многом аналогичен протоколам семейства HDLC (LAP-B, LAP-D, LAP-M), которые применяются в глобальных сетях для обеспечения надежной передачи кадров на зашумленных линиях.

В некоторых случаях (например, при использовании сетей в  системах реального времени, управляющих  промышленными объектами), когда  временные издержки установления логического  соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение корректности приема переданных данных необходимо, базовый сервис без установления соединения и без подтверждения не подходит. Для таких случаев предусмотрен дополнительный сервис, называемый сервисом без установления соединения, но с подтверждением LLC3.

Чаще всего в локальных сетях используются протоколы LLC1. Это объясняется тем, что кабельные каналы локальных сетей обеспечивают низкую вероятность искажений бит и потери кадров. Поэтому, использование повышающего надежность обмена протокола LLC2 часто приводит к неоправданной избыточности, только замедляющей общую пропускную способность стека коммуникационных протоколов. Тем не менее, иногда протокол LLC2 применяется и в локальных сетях. Так, этот протокол используется стеком SNA в том случае, когда мэйнфремы или миникомпьютеры IBM взаимодействуют через сети Token Ring. Протокол LLC2 используется также компанией Hewlett-Packard в том случае, когда принтеры подключается к сети Ethernet непосредственно, с помощью встроенных сетевых адаптеров.

Структура кадров LLC

По своему назначению все кадры уровня LLC (называемые в стандарте 802.2 блоками данных - Protocol Data Unit, PDU) подразделяются на три типа - информационные, управляющие и ненумерованные:

• Информационные кадры предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна.
• Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков.
• Ненумерованные кадры предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в процедурах с установлением логического соединения - установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат (рис. 1). Они содержат четыре поля:

• адрес точки входа сервиса назначения (Destination Service Access Point, DSAP),
• адрес точки входа сервиса источника (Source Service Access Point, SSAP),
• управляющее поле (Control)
• поле данных (Data)

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями "Флаг", имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока. (Отметим, что формат кадров LLC, за исключением поля адреса точки входа сервиса источника, соответствует формату кадра HDLC, а также одного из вариантов протокола HDLC - протокола LAP-B, используемого в сетях X.25).

Флаг (01111110)

Адрес точки входа  сервиса назначения DSAP

Адрес точки входа  сервиса источника SSAP

Управляющее поле Control

Данные Data

Флаг (01111110)

рис. 1. Структура LLC-кадра стандарта 802-2

Поле данных кадра LLC предназначено  для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней - IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в  редких случаях - прикладных протоколов, когда те не пользуются сетевыми протоколами, а вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Поле управления (один байт) используется для обозначения типа кадра данных - информационный, управляющий или ненумерованный. Кроме этого, в этом поле указываются порядковые номера отправленных и успешно принятых кадров, если подуровень LLC работает по процедуре LLC2 с установлением соединения. Формат поля управления полностью совпадает с форматом поля управления кадра LAP-B.

Поля DSAP и SSAP позволяют указать, какой  сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении  кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу для последующей обработки. Например, в качестве значения DSAP и SSAP может выступать код протокола IPX или же код протокола покрывающего дерева Spanning Tree.

Между заголовком LLC и полем данных LLC может использоваться дополнительный заголовок, называемый заголовком SNAP (Sub-Area Access Protocol). Дополнительный заголовок SNAP используется для придания большей  упорядоченности при указании типа протокола, который помещает свою информацию в поле данных кадра LLC.

Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром  0.5 дюйма, называемый "толстым"  коаксиалом. Имеет волновое сопротивление  50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром  0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление  50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

10Base-T - кабель на основе неэкранированной  витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.

10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология  аналогична стандарту на витой  паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB.

Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной  базовой частоте 10 МГц (в отличие  от стандартов, использующих несколько  несущих частот, которые называются broadband - широкополосными).

Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного  доступа с опознаванием несущей  и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод используется исключительно в сетях с общей  шиной (к которым относятся и  радиосети, породившие этот метод). Все  компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA).

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем  кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе  возможна ситуация, когда две станции  одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 3). Для  уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой  кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение  короткого случайного интервала  времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.