Стандарты IEEE 802.x

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Актюбинский региональный государственный университет им.К.Жубанова

 

Р Е Ф Е Р А Т

Стандарты IEEE 802.x

Выполнил: Студент группы 3иско1

Проверила: Старший преподаватель кафедры

 «Информационные системы».

Актобе 2014

ПЛАН

Введение

Основная часть

1. Структура стандартов IEEE 802.х

2. Стандарт IEEE 802.2

3. Стандарт IEEE 802.3

4. Стандарт IEEE 802.3u

5. Стандарт IEEE 802.4

6. Стандарт IEEE 802.5

Заключение

Использованная литература

Введение

В 1980 году в институте IEEE был организован "Комитет 802 по стандартизации локальных сетей", в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.х, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей. Позже результаты его работы легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.

(Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с.)

Структура стандартов IEEE 802.х

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровней 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.

Сегодня комитет 802 включает следующие подкомитеты (ряд из которых прекратил свою активную деятельность):

802.1- Internetworking -объединение сетей

802.2- LLC-управление логической передачей данных

802.3- Ethernet с методом доступа CSMA/CD

802.4- Token Bus LAN- локальные сети с методом доступа

802.5- Token Ring LAN- локальные сети с методом доступа

802.6- Metropolitan Area Network, MAN-сети мегаполисов

802.7- Broadband Technical Advisory Group -техническая консультационная группа по широкополосной передаче

802.8-Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям

802.9- Integrated Voice and data Networks-интегрированные сети передачи голоса и данных

802.10- Network Security -сетевая безопасность

802.11- Wireless Networks-беспроводные сети

802.12- Demand Priority Access LAN, 100VG-AnyLAN-локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами

Сетевые топологии

Как только компьютеров становится больше 2, появляется проблема выбора конфигурации физических связей, или топологии.

Среди топологических схем наиболее популярными являются (см. рис. 4.1):

1. Шина
2. Звезда
3. Кольцо
4. Многокаскадные и многосвязные сети (См. раздел 4.1.10)

Рис. 4.1. Примеры сетевых топологий

К первым трем типам топологии относятся 99% всех локальных сетей. Наиболее популярный тип сети – Ethernet, может строиться по схемам 1 и 2. Вариант 1 наиболее дешев, так как требует по одному интерфейсу на машину и не нуждается в каком-либо дополнительном оборудовании. Сети Token Ring и FDDI используют кольцевую топологию (3 на рис. 4.1), где каждый узел должен иметь два сетевых интерфейса. Эта топология удобна для оптоволоконных каналов, где сигнал может передаваться только в одном направлении (но при наличии двух колец, как в FDDI, возможна и двунаправленная передача).

Стандарт IEEE 802.2

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.

1. 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.

2. 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 (Таблица 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, CTRL),
• 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).

Таблица 1. Формат кадра LLC

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.

3. Заголовок SNAP

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.

Стандарт 802.2 использует для этой цели однобайтовые поля DSAP и SSAP, в то время как ранняя версия протокола Ethernet, предложенная совместно компаниями Digital, Intel и Xerox (так называемая, версия Ethernet DIX), использовала для этой цели двухбайтовое поле Type, для которого в качестве стандарта де-факто применялись двухбайтовые коды протоколов сетевого уровня, например, 0800 - для протокола IP и т.п.

Заголовок SNAP также содержит двухбайтовое поле Type, назначение и формат которого совпадает по назначению с полем Type кадра Ethernet DIX. Трехбайтовый код организации (OUI) используется для указания той организации по стандартизации, которая отвечает за числовые значения поля Type. Так, числовые значения поля Type для заголовка SNAP в случае использования его в кадрах Ethernet определяет комитет 802.3 IEEE, код которого равен 00 00 00.

Для других протоколов канального уровня значения кодов поля Type определяют другие организации по стандартизации. Таким образом, при использовании дополнительного заголовка SNAP достигается совместимость кадров 802.3 с кадрами Ethernet DIX по способу кодирования пакетов протоколов верхнего уровня, переносимых в поле данных. В поля DSAP и SSAP при использовании заголовка SNAP помещаются значения 170 (десятичное), которые говорят о том, что в поле данных кадра LLC вложен заголовок SNAP.

4. Временная диаграмма сервисов протокола LLC

На Рис.2 показана временная диаграмма сервисов, предоставляемых уровнем LLC для старших уровней. Все примитивы, изображенные на рисунке, имеют такие параметры, как адреса отправителя и получателя.

Рис.2 Примитивы уровня LLC

а, в, с - без установления соединения, d - с установлением соединения

При использовании сервиса без установления соединения и без подтверждения протокол LLC, получив запрос от пользователя (примитив L.DATA.request) на передачу данных, делает попытку послать данные, сопровождающие запрос, используя МАС-подуровень. В этом случае отсутствует подтверждение того, прошла ли передача успешно или нет. В этом варианте функции уровня LLC сведены к минимуму - он используется только как интерфейс старших уровней к MAC-уровню. При использовании этого типа сервиса используются только ненумерованные блоки.

При использовании сервиса без установления соединения, но с подтверждением, пользователь оповещается об успешности или не успешности передачи данных (примитив L.DATA_ACK_STATUS.indication).

При использовании сервиса с получением ответа используются следующие примитивы:

• Запрос содержимого буфера сообщения, управляемого протоколом LLC удаленного пользователя: L.REPLY.request и L.REPLY_STATUS.indication;
• Обновление содержимого буфера сообщения, управляемого протоколом LLC локального пользователя: L.REPLY_UPDATE.request и L.REPLY_UPDATE_STATUS.indication.

При использовании сервиса с установлением соединения перед отправкой любых данных должно быть установлено логическое соединение посредством выполнения примитива L.CONNECT. После того, как в рамках этого соединения будут переданы все данные, соединение должно быть разорвано с использованием примитива L.DISCONNECT.

Во время фазы передачи данных прием каждого свободного от ошибок блока данных подтверждается удаленным протоколом LLC. Это подтверждение преобразуется локальным протоколом LLC в примитив L.DATA_CONNECT.confirm и передается пользователю.

Стандарт IEEE 802.3

Стандарты технологии Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в несколько миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

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

Хорошей аналогией взаимодействиям в среде Ethernet может служить разговор группы вежливых людей в небольшой темной комнате. При этом аналогией электрическим сигналам в коаксиальном кабеле служат звуковые волны в комнате.

Каждый человек слышит речь других людей (контроль несущей). Все люди в комнате имеют одинаковые возможности вести разговор (множественный доступ), но никто не говорит слишком долго, так как все вежливы. Если человек будет невежлив, то его попросят выйти (т.е. удалят из сети). Все молчат, пока кто-то говорит. Если два человека начинают говорить одновременно, то они сразу обнаруживают это, поскольку слышат друг друга (обнаружение столкновений). В этом случае они замолкают и ждут некоторое время, после чего один из них вновь начинает разговор. Другие люди слышат, что ведется разговор, и ждут, пока он кончится, а затем могут начать говорить сами. Каждый человек имеет собственное имя (аналог уникального Ethernet-адреса). Каждый раз, когда кто-нибудь начинает говорить, он называет по имени того, к кому обращается, и свое имя, например, "Слушай Петя, это Андрей, ... ля-ля-ля ..." Если кто-то хочет обратиться ко всем, то он говорит: "Слушайте все, это Андрей, ... ля-ля-ля ..." (широковещательная передача).

Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

Блок-схема реализации протокола CSMA/CD

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

• Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
• При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.
• После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.
• Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.

Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м,

в сети не должно быть более 1024 узлов.

Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3 приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps). Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально возможной пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с.

Форматы кадров технологии Ethernet

Стандарт на технологию Ethernet, описанный в документе 802.3, дает описание единственного формата кадра МАС-уровня. Так как в кадр МАС-уровня должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, образованный комбинацией заголовков МАС и LLC подуровней.

По стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный ватиант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков подуровней MAC и  LLC.

Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки 4-х типов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся. Затем, после принятия стандартов IEEE и появления двух несовместимых форматов кадров канального уровня, была сделана попытка приведения этих форматов к некоторому общему знаменателю, что привело еще к одному варианту кадра.

Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню):

Кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2)

Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3)

Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II)

Кадр Ethernet SNAP

Кадр 802.3/LLC

Кадр  Raw 802.3/Novell 802.3

Кадр Ethernet DIX(II)

Кадр Ethernet SNAP

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка:

• Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.
• Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.
• Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов.
• Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.
• Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.
• Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.
• Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.
• Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше.

Результирующий кадр 802.3/LLC изображен в левой части рисунка 4. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт.

Кадр Raw 802.3 (то есть "грубый" вариант 802.3) или же кадр Novell 802.3 это кадр MAC-подуровня стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC.

Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр MAC-подуровня кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы.

Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций.

В таблице 2 приведены данные о том, какие типы кадров Ethernet обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня.

Таблица 2

   

 Стандарт 10Base-5

Стандарт 10Base-5 соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethernet'ом. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм ("толстый" Ethernet).

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов.

Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рисунке 5.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера (рис. 6). Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2.5 м.

Рис. 5. Компоненты физического уровня сети стандарта
10 Base-5, состоящей из двух сегментов 

Рис. 6. Структурная схема сетевого адаптера стандарта
10Base-5 ("толстый" Ethernet ) 

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

• прием и передача данных с кабеля на кабель,
• определение коллизий на кабеле,
• электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,
• защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию часто называют контролем болтливости (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель - это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина пакета превышается, то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля.

Упрощенная структурная схема трансивера показана на рисунке 7. Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог, то значит на кабель работает более чем один передатчик.

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

• хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,
• сравнительно большое расстояние между узлами,
• возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Рис. 7. Структурная схема трансивера

К недостаткам следует отнести:

• высокую стоимость кабеля,
• сложность его прокладки из-за большой жесткости,
• наличие специального инструмента для заделки кабеля,
• при повреждении кабеля или плохом соединении происходит останов работы всей сети,
• необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм ("тонкий" Ethernet, волновое сопротивление кабеля 50 Ом). Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом.

Станции подключаются к кабелю с помощью T-коннектора, который представляет из себя тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, 30. Минимальное расстояние между станциями - 1 м.

Этот стандарт очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае "висит" на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.

Топология сегмента сети стандарта 10Base-2 показана на рисунке 8.

Рис. 8. Сеть стандарта 10Base-2 

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть престает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер.

Стандарт 10Base-T

Стандарт принят в 1991 году как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet и имеет обозначение 802.3i.

Использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair, UTP). Соединения станций осуществляются по топологии "точка - точка" со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Tx сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя станции (вход Rx сетевого адаптера). На рисунке 9 показан пример трехпортового повторителя.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал (шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мб/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

Рис. 9. Сеть 10Base-T - один домен коллизий
Tx - передатчик, Rx - приемник

Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 10). Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети.

Рис. 2.10. Повторители (концентраторы)

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet'а многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки попрежнему образуют общий домен коллизий, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

Стандарт 10Base-F

Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Tx повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.

Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.

Стандарт 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для обнаружения отказов своих портов. Поэтому, концентраторы стандарта 10Base-FB могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного с помощью тестовых специальных сигналов. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому биты синхронизации кадра не нужны и не передаются. Стандарт 10Base-FB поэтому называют также синхронный Ethernet.

Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой.

Стандарт IEEE 802.3u

Fast Ethernet как развитие классического Ethernet

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. 10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Если для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала "память - диск", то это хорошо согласовывалось с соотношением объемов локальных данных и внешних данных для компьютера. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium PRO и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-Мегабитного Ethernet'а стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.

Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию, предложенную компаниями  Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'у сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый  Demand Priority.  Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 16).

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.

Рис. 16. Отличия стека протоколов 100Base-T от стека протоколов 10Base-T

Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
• сохранение метода случайного доступа Ethernet;
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 18 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

В кадрах стандарта Ethernet-II (или Ethernet DIX), опубликованного компаниями Xerox, Intel и Digital еще до появления стандарта IEEE 802.3, вместо двухбайтового поля L (длина поля данных) используется двухбайтовое поле T (тип кадра). Значение поля типа кадра всегда больше 1518 байт, что позволяет легко различить эти два разных формата кадров Ethernet DIX и IEEE 802.3.

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Рис. 18. Формат MAC-кадра и времена его передачи

Спецификации физического уровня Fast Ethernet

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Эта структура представлена на рисунке 19.

Рис. 19. Структура физического уровня Fast Ethernet

Физический уровень состоит из трех подуровней:

• Уровень согласования (Reconciliation Sublayer).
• Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).
• Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY).

Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, TX и T4.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.

Интерфейс MII

Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и внешний.

При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интереса MII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора (рис. 20). Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY.

Рис. 20. Сетевой адаптер с внутренним интерфейсом MII

Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем MII через разъем MII с микросхемой MAC-подуровня (рис. 21). Разъем MII в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля MII составляет 1 метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу MII, имеют амплитуду 5 В.

Рис. 21. Использование внешнего трансивера с интерфейсом MII

Интерфейс MII может использоваться не только для связи PHY с MAC, но и для соединения устройств PHY с микросхемой повторения сигналов в многопортовом повторителе-концентраторе (рис. 22).

Рис. 22. Повторитель со встроенными устройствами PHY

Передача данных через MII

MII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их между MAC и PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY образован 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY, а также сигналом "Передача", генерируемым MAC-подуровнем.

Аналогично, канал передачи данных от PHY к MAC образован другой 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом и сигналом "Прием", которые генерируются PHY.

Если устройство PHY обнаружило ошибку в состоянии физической среды, то оно может передать сообщение об этом на подуровень MAC в виде сигнала "Ошибка приема" (receive error). MAC-подуровень (или повторитель) сообщают об ошибке устройству PHY с помощью сигнала "Ошибка передачи" (transmit error). Обычно, повторитель, получив от PHY какого-либо порта сигнал "Ошибка приема", передает на все устройства PHY остальных портов сигнал "Ошибка передачи".

В MII определена двухпроводная шина для обмена между MAC и PHY управляющей информацией. MAC-подуровень использует эту шину для передачи PHY данных о режиме его работы. PHY передает по этой шине информацию по запросу о статусе порта и линии. Данные о конфигурации, а также о состоянии порта и линии хранятся соответственно в двух регистрах: регистре управления (Control Register) и регистре статуса (Status Register).

Регистр управления используется для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии, для задания режима работы порта - полудуплексный или полнодуплексный, и т.п. Функция автопереговоров (Auto-negotiation) позволяет двум устройствам, соединенным одной линией связи, автоматически, без вмешательства оператора, выбрать наиболее высокоскоростной режим работы, который будет поддерживается обоими устройствами.

Регистр статуса содержит информацию о действительном текущем режиме работы порта, в том числе и в том случае, когда режим выбран в результате проведения автопереговоров.

Регистр статуса может содержать данные об одном из следующих режимов:

• 100Base-T4;
• 100Base-TX full-duplex;
• 100Base-TX half-duplex;
• 10 Mb/s full-duplex;
• 10Mb/s half-duplex;
• ошибка на дальнем конце линии.

IEEE 802.4 (Token Bus)

Стандарт IEEE 802.4 описывает свойства сетей, известных под названием маркерная шина. С точки зрения правил предоставления доступа этот стандарт схож с token ring. В качестве физической среды используется 75-омный кабель. При необходимости построения сети типа дерева, а также для увеличения длины сети используются повторители. Сеть способна обеспечить пропускную способность до 10 Мбит/с при полосе пропускания кабеля 12 МГц.

Для доступа к сетевой среде станция должна получить пакет-маркер. Получив маркер, сетевое устройство может начать передачу данных, а завершив эту процедуру, устройство должно переслать маркер следующей сетевой станции. Передача маркера происходит до тех пор, пока он не достигнет младшей станции, после чего он возвращается первой станции. Формат кадра, пересылаемого по маркерной шине, имеет вид, представленный на рис.15:

Рис. 15 Формат кадров 802.4.

SD - (Start Delimiter) - стартовый байт-разделитель =**0**000, где * - символ, кодируемый неманчестерским кодом; FC - (Frame Control) поле управления кадром = FFxxxxxx, где FF - субполе формата кадра, а xxxxxx - биты типа кадра, SA и DA адреса отправителя и получателя, соответственно. FSC - (Frame Control Sequence) контрольная сумма (4 байта). ED - (End Delimiter) оконечный разграничитель =**1**11E (правый бит является 8-ым). MMM=000 - запрос, не требующий подтверждения; MMM=001 - запрос, требующий подтверждения, MMM=010 - отклик на запрос. PPP - биты приоритета (111 - высший приоритет, а 000 - низший). Значения кодов поля FC приведены в таблицах 6 и 7 (цифрами обозначен порядок передачи разрядов).

Таблица 6. Коды поля FC

Станции получают доступ к шине в результате соревновательной процедуры, называемой окно откликов. Окно откликов представляет собой временной интервал, равный по длительности одному системному такту, который в свою очередь равен времени распространения сигнала по шине. Это время отсчитывается от момента окончания передачи кадра управления. В течение этого времени станция-инициатор ожидает отклика от других станций. Любая станция сети, будучи владельцем маркера, может запустить этот процесс с помощью посылки кадра  поиск следующей станции. Запросы на подключение осуществляются путем отправки пакета  установка следующей станции,  в поле данных которого записывается адрес станции, запрашивающей доступ к шине. Адрес следующей соседней станции меньше адреса станции-отправителя (маркер движется в направлении убывания адресов). Обычно посылается кадр с одним окном откликов. При этом запросы могут посылать станции с адресами не меньше, чем адрес ближайшего соседа. Если процесс инициализирован станцией с наименьшим номером, то посылается пакет с двумя окнами откликов, одно для станции с номером меньше, чем у предшественника, другое с адресом больше чем у предшественника. После этого станция ждет ответа в течение одного такта. Если ответа нет, маркер передается следующей станции. Если же получен один ответ, инициализируется подключение станции с помощью пакета  установка следующей станции. При получении более одного отклика возникает конфликт, для разрешения которого посылается пакет  разрешение конфликта  с четырьмя окнами. Станции заносят свои запросы в окна в соответствии с первыми двумя битами своего адреса. Если попытка разрешить конфликт при этом не удалась, пакет осылается повторно. В новой попытке участвуют только станции, участвовавшие в первом раунде, а для сравнения используются уже следующие два бита адреса. Процедура может завершиться подключением одной из станций или исчерпыванием числа попыток.

Станция может отключиться от сети в любое время, но это вызовет инициализацию системы и временное нарушение работы сети. Поэтому для отключения от сети станция должна дождаться получения маркера, после чего она шлет пакет типа  установка следующей станции, в поле данных которого находится адрес ее преемника. Если держатель маркера получит пакет, показывающий наличие в сети еще одного владельца маркера, он уничтожает свой маркер и переходит в режим ожидания. Получив маркер, станция должна начать передачу данных или передать его следующей станции. После передачи маркера станция в течение одного цикла прослушивает сеть, чтобы убедиться в активности своего преемника. Если преемник не посылает ничего в течении секунды, станция повторяет передачу маркера. Если и это не помогает, то посылается пакет  кто следующий?  с адресом преемника в поле данных и тремя окнами откликов. Если станция обнаруживает в поле данных адрес своего предшественника, она посылает кадр типа  установка следующей станции  по адресу отправителя. В отсутствии кадра  установка следующей станции  станция посылает такой пакет самой себе с двумя окнами для выявления активных сетевых устройств.

При обнаружении потери маркера запускается процедура инициализации сети, при этом посылается пакет  требование маркера. Станция, пославшая запрос, прослушивает шину и при обнаружении сетевой активности выбывает из соревнования (имеется станция с большим, чем у нее адресом). В сети определено 4 класса обслуживания (6, 4, 2, 0). Станция может передавать данные класса 6 в течение допустимого времени удержания маркера THT (для класса 6). При M станций в сети максимальное время ожидания будет равно THT*M. По завершении передачи данных класса 6 (или если они не передавались вовсе) можно передавать данные класса 4. Аналогично определено время обращения маркера для классов 4, 2 и 0.

Таблица 7. Коды поля FC и типы кадров

Стандарт IEEE 802.5 (Token Ring)

Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном.

Стандарт Token Ring был принят комитетом 802.5 в 1985 году. В это же время компания IBM приняла стандарт Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60% сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с  маркерным методом  доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения -  маркер (токен).

Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой.

При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям, эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

На рисунке 12 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3.

Рис. 12. Принцип маркерного доступа

Время удержания одной станцией маркера ограничивается  тайм-аутом удержания маркера,  после истечение которого станция обязана передать маркер далее по кольцу.

В сетях Token Ring 16 Мб/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом  раннего освобождения маркера (Early Token Release).  В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно и приближается к 80 % от номинальной.

Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные  приоритеты.

Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).

Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как  активный монитор,  что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором.

Форматы кадров Token Ring

В Token Ring существует три различных формата кадров:

1. маpкеp;
2. кадp данных;
3. пpеpывающая последовательность.

Маркер

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

• Поле начального ограничителя  появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.
• Поле контроля доступа.  Разделяется на четыре элемента данных: 
  PPP T M RRR, 
  где PPP - биты приоритета, T - бит маркера, M - бит монитора, RRR - резервные биты.

Каждый кадр или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, 7 - наивысший приоритет). Станция может воспользоваться маркером, если только она получила маркер с приоритетом, меньшим или равным, чем ее собственный. Сетевой адаптер станции, если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. Эта станция будет иметь преимущественный доступ при последующем поступлении к ней маркера.

Схема использования приоритетного метода захвата маркера показана на рисунке 13. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущего значения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервного приоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени.

Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 для кадра.

Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

• Поле конечного ограничителя  - последнее поле маркера. Так же, как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными. Кроме отметки конца маркера это поле также содержит два подполя: бит промежуточного кадра и бит ошибки. Эти поля относятся больше к кадру данных, который мы и рассмотрим.

Рис. 13. Приоритеты в кольце Token Ring

Кадр данных

Кадр данных состоит из нескольких групп полей:

• последовательность начала кадра;
• адрес получателя;
• адрес отправителя;
• данные;
• последовательность контроля кадра;
• последовательность конца кадра.

Кадр данных может переносить данные либо для управления кольцом (данные MAC-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров MAC-уровня.  Поле "последовательность начала кадра"  определяет тип кадра (MAC или LLC) и, если он определен как MAC, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.

Назначение этих шести типов кадров следующее.

• Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция посылает кадр "Тест дублирования адреса", когда впервые присоединяется к кольцу.
• Чтобы сообщить другим станциям, что он еще жив, активный монитор запускает кадр "Активный монитор существует" так часто, как только может.
• Кадр "Существует резервный монитор" отправляется любой станцией, не являющейся активным монитором.
• Резервный монитор отправляет "Маркеры заявки", когда подозревает, что активный монитор отказал. Резервные мониторы затем договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором.
• Станция отправляет кадр "Сигнал" в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как оборванный кабель, или при обнаружении станции, передающей кадры без ожидания маркера. Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа может локализовать проблему.
• Кадр "Очистка" отправляется после того, как произошла инициализация кольца, и новый активный монитор заявляет о себе.

Каждый кадр (MAC или LLC) начинается с  "последовательности начала кадра", которая содержит три поля:

• Начальный ограничитель, такой же, как и для маркера;
• Управление доступом, также совпадает для кадров и для маркеров;
• Контроль кадра - это однобайтовое поле, содержащее два подполя - тип кадра и идентификатор управления MAC: 2 бита типа кадра имеют значения 00 для кадров MAC и 01 для кадров LLC. Биты идентификатора управления MAC определяют тип кадра управления кольцом из приведенного выше списка 6-ти управляющих кадров MAC.

Адрес получателя (либо 2, либо 6 байтов). Первый бит определяет групповой или индивидуальный адрес как для 2-х байтовых, так и для 6-ти байтовых адресов. Второй бит в 6-ти байтовых адресах говорит, назначен адрес локально или глобально.

Адрес отправителя имеет тот же размер и формат, что и адрес получателя.

Поле данных кадра может содержать данные одного из описанных управляющих кадров MAC или запись пользовательских данных, предназначенных для (или получаемых от) протокола более высокого уровня, такого как IPX или NetBIOS. Это поле не имеет определенной максимальной длины, хотя существуют практические ограничения на его размер, основанные на временных требованиях к тому, как долго некоторая станция может управлять кольцом.

Последовательность контроля кадра - используется для обнаружения ошибок, состоит из четырех байтов остатка циклически избыточной контрольной суммы, вычисляемой по алгоритму CRC-32, осуществляющему циклическое суммирование по модулю 32.

Последовательность конца кадра состоит из двух полей: конечный ограничитель и статус кадра.

Конечный ограничитель  в кадре данных имеет дополнительное значение по сравнению с маркером. Кроме уникальной последовательности электрических импульсов он содержит два однобитовых поля: бит промежуточного кадра и бит обнаружения ошибки. Бит промежуточного кадра устанавливается в 1, если этот кадр является частью многокадровой передачи, или в 0 для последнего или единственного кадра. Бит обнаружения ошибки первоначально установлен в 0; каждая станция, через которую передается кадр, проверяет его на ошибки (по коду CRC) и устанавливает бит обнаружения ошибки в 1, если она выявлена. Очередная станция, которая видит уже установленный бит обнаружения ошибки, должна просто передать кадр. Исходная станция заметит, что возникла ошибка, и повторит передачу кадра.

Статус кадра имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и два подполя: бит распознавания адреса и бит копирования кадра. Так как это поле не сопровождается вычисляемой суммой CRC, то используемые биты дублируются в байте. Когда кадр создается, передающая станция устанавливает бит распознавания адреса в 0; получающая станция устанавливает бит в 1, чтобы сообщить, что она опознала адрес получателя. Бит копирования кадра также вначале установлен в 0, но устанавливается в 1 получающей станцией (станцией назначения), когда она копирует содержимое кадра в собственную память (другими словами, когда она реально получает данные). Данные копируются (и бит устанавливается), если только кадр получен без ошибок. Если кадр возвращается с обоими установленными битами, исходная станция знает, что произошло успешное получение. Если бит распознавания адреса не установлен во время получения кадра, это означает, что станция назначения больше не присутствует в сети (возможно, вследствие неполадок). Возможна другая ситуация, когда адрес получателя опознается, но бит копирования кадра не установлен. Это говорит исходной станции, что кадр был искажен во время передачи (бит обнаружения ошибки в конечном ограничителе также будет установлен). Если оба бита опознавания адреса и копирования кадра установлены, и бит обнаружения ошибки также установлен, то исходная станция знает, что ошибка случилась после того, как этот кадр был корректно получен.

Прерывающая последовательность

Состоит из двух байтов, содержащих начальный ограничитель и конечный ограничитель. Прерывающая последовательность может появиться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

Как видно из описания процедур обмена данными, в сети Token Ring на уровнях MAC и LLC применяются процедуры без установления связи, но с подтверждением получения кадров.

Заключение

Итак, мы рассмотрели три разных несовместимых стандарта. Какой из них следует предпочесть при построении локальной сети? В данном разделе попробуем сравнить и выявить достоинства и нидостатки каждого из стандартов комитета 802.

Достоинства IEEE 802.3

• Очень широко используется, имеет огромную инсталляционную базу
• Преемственность стандартов
• Простота протокол
• Возможность подключения узла без остановки работы сети
• Доступность и экономичность оборудования
• Высокая эффективность при малой загрузке сети

Недостатки IEEE 802.3

• Существенный аналоговый компонент
• 64 октета как минимальная длина кадра
• Недетерминированность
• Отсутствие возможности задания приоритетов
• Низкая эффективность при малой загрузке сети
• Существенные ограничения на длину кабеля

Достоинства 802.4

• Использвания обычного высоконадежного коаксиала
• Более высокая детерминированность по сравнению с Ethernet
• Минимальная длина кадра короче
• Поддержка приоритетов
• Существование гарантированной доли полезного траффика
• Высокая эффективность и пропускная способность при высокой загрузке сети
• Поддержка коаксиалом нескольких каналов

Недостатки 802.4

• Использование большого количества аналоговой аппаратуры
• Очень высокая сложность протокола
• Низкая эффективность при малой загрузке сети
• Малая популярность
• Отсутствие поддержки оптоволоконных соединений

Достоинства 802.5

• Использование соединения точка-точка: полностью цифровго и простого в реализации
• Возможность использования любой физической среды
• Наличие кабельного центра делает Token Ring единственным стандартом, где разрыв среды передачи может восстанавливаться автоматически
• Возможность задания приоритетов
• Небольшой размер минимального кадра и неограниченный размер передаваемого кадра
• Высокая эффективность и пропускная способность при высокой загрузке сети

Недостатки 802.5

• Наличие централизованного монитора, который является критическим компонентом;
• Относительно низкая эффективность при небольшой загрузке сети из-за особенностей схемы передачи маркера

Использованная литература

Ресурсы Интернет:

http://zeus.sai.msu.ru:7000/nets

http://www.ieee.org/portal

http://grouper.ieee.org/groups/802/1

http://localnets.h1.ru/lan/ethernet

http://www.protocols.ru

http://www.citforum.ru/nets

http://www.tt.ru

Литература:

Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер.-СПб.: Питер, 2002. - 672с.: ил.

Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы / Ю. Блэк; перев. с англ. - М.: Мир, 1990.