Консп. конспект_ лекций_СПД. Конспект лекций по курсу "Системы передачи данных" Для студентов, обучающихся по направлению
 Скачать 4.08 Mb.
|
|
Часть стандартов группы 802 описывает отдельные технологии, а часть содержит стандарты, общие для разных технологий. Подгруппа 802.1 содержит общие определения локальных сетей, связь модели IEEE 802 с моделью OSI, правила взаимодействия различных технологий. К ней относятся: - 802.1d – логика работы моста/коммутатора; алгоритм покрывающего дерева. - 802.1h – логика работы транслирующего моста (связывающего сети разных технологий). - 802.1p – дополнения к логике мостов для работы с трафиком разных приоритетов и выполнения динамической фильтрации группового вещания. - 802.1q – построение виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN) с помощью мостов/коммутаторов. Стандарт 802.2 описывает работу подуровня LLC. Стандарты на методы управления логическим соединением. Подгруппа стандартов 802.3 описывает работу подуровня MAC и физического уровня с методом доступа CSMA/CD. Собственно стандарт 802.3 определяет технологию Ethernet (10 Мбит/c), 802.3u – Fast Ethernet (100 Мбит/c), 802.3z и 802.3ab – Gigabit Ethernet (1 Гбит/с). Стандарт 802.3x определяет правила управления потоком для дуплексного режима. Стандарт 802.4 описывает работу подуровня MAC и физического уровня технологий типа маркерная шина (Token bus network), прототип - ArcNet протокол MAP (Manufacturing Automation Protocol) для связи устройств промышленной автоматики). Стандарт 802.5 описывает работу подуровня MAC и физического уровня технологий типа маркерного кольца (Token Ring). Стандарт 802.6 описывает городские сети (Metropolitan Area Network, MAN). Стандарт 802.7 описывает принципы широкополосной передачи. Передача разных сигналов по одному широкополосному кабелю методом частотного уплотнения каналов. Стандарт 802.8 описывает принципы построения сетей на основе волоконно-оптических технологий. Стандарт 802.9 содержит совместимые с ISDN спецификации совместной передачи голоса и данных. Стандарт 802.10 описывает принципы сетевой безопасности. Стандарт 802.11 описывает беспроводные технологии передачи данных (Wi-Fi). Стандарт 802.12 определяет технологию передачи с методом приоритетного доступа по требованию. Технология 100VG-AnyLAN. Стандарт 802.15 определяет стандарты на построение персональных сетей (802.15.1 – Bluetooth 1.1) Стандарт 802.16 стандарт широкополосной беспроводной связи (Wi-Max). 9. ПРОТОКОЛ LLC Стандарт 802.2 описывает работу подуровня LLC – логические процедуры передачи кадров и связь с сетевым уровнем. В основу протокола LLC положен протокол HDLC (High-level Data Link Control Procedure), широко использующийся в территориальных сетях. 9.1. 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 802.3-802.12. 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. 9.2. 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 (рис. 8.1). 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)  Рисунок 9.1. Структура LLC-кадра стандарта 802.2 Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями "Флаг", имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока. Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней - IP, IPX, AppleTalk, DECnet. 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. 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. DSAP - это нечто вроде идентификационного номера процесса высшего уровня, который должен принять потом данные. Другими словами, это адрес протокола верхнего уровня, который принимает данные. То есть, когда кадр поступит к получателю, его уровень LLC обработает этот кадр, выполнит, что от него требовалось, а потом процесс высшего уровня, адрес которого указан в поле DSAP, примет оставшиеся данные. SSAP - это адрес верхнего уровня, который передает данные в протокол LLC. Таким образом, адреса DSAP и SSAP позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра и какой службе верхнего уровня эти данные предназначены. Адреса DSAP и SSAP занимают по 1 байту. Каждый кадр LLC относится к одному из трех типов (в зависимости от значения старших битов поля Control): - ненумерованный (Unnumbered) – поле Control занимает 1 байт, два старших бита имеют значение 11, - информационный (Information) – поле Control занимает 2 байта, старший бит установлен в 0, - управляющий (Supervisory) – поле Control занимает 2 байта, два старших бита имеют значение 10. 10. ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. 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, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet П. 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 DIX 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. Часто для того, чтобы отличить Ethernet, определенный стандартом IEEE, и фирменный Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений. 10.1. Адресация в сетях Ethernet Для идентификации получателя информации в технологиях Ethernet используются 6-ти байтовые MAC–адреса. Формат MAC – адреса обеспечивает возможность использования специфических режимов многоадресной адресации в сети Ethernet и, одновременно, исключить возможность появления в пределах одной локальной сети двух станций которые имели бы одинаковый адрес.
Для написания MAC адреса могут быть использованы различные формы. Наиболее часто используется шестнадцатеричная форма, в которой пары байтов отделяются друг от друга символами «-»: 00-e0-14-00-00-00 В сетях Ethernet и IEEE 802.3 используются три основных режима формирования адреса назначения: Unicast – индивидуальный адрес; Multicast – групповой адрес; Broadcast – широковещательный адрес. Первый режим адресации (Unicast) используется в том случае, когда станция - источник адресует передаваемый пакет только одному получателю данных. Признаком использования режима адресации Multicast является наличие 1 в младшем бите старшего байта идентификатора производителя оборудования. 01-00-0C-CC-CC-CC Станция сети Ethernet и IEEE 802.3 может также использовать режим адресации типа Broadcast. Адрес станции назначения типа Broadcast кодируется специальным значением: FF-FF-FF-FF-FF-FF При использовании данного адреса переданный пакет будет принят всеми станциями, которые находятся в данной сети. 10.2. 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) (Множественный доступ к среде передачи с контролем несущей и обнаружением коллизий). Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство - мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станция возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN). Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй, главный недостаток - это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу — методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии — это следствие распределенного характера сети. Алгоритм CSMA/CD для передающей станции приведен на рис.10.2.  Рисунок 10.2. Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Frame Gap) в 9,6 мкс (96 bt). Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что не один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена, с учетом дополнительной задержки на возможных повторителях. Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: Tmin>=PDV, где Tmin — время передачи кадра минимальной длины, a PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то именно поэтому это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV). При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается). При возникновении коллизии стация подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия. Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, MAC-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму: | ||||||||||||