Конспект лекций. Лекция История развития систем и сетей передачи данных Цель и задачи дисциплины, её место в направлении обучения и связь с другими дисциплинами. Цель преподавания дисциплины
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию, независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла, называется доменом коллизий (collision domain). Стандарт IEEE 802.3 определяет ограничения, налагаемые на размер ЛВС Ethernet: • максимальное число станций в сети - 1024; • максимальная протяженность сети - 3-4 км; • максимальная длина сегмента сети (расстояние между крайними станциями), зависящая от типа передающей среды: > 500 метров - для толстого коаксиального кабеля; > 185 метров - для тонкого коаксиального кабеля; > 100 метров - для витой пары; > 2000 метров - для оптоволоконного кабеля. Основными топологиями ЛВС Ethernet являются: • "общая шина", в которой в качестве среды передачи данных используется коаксиальный кабель; • "звезда", в которой центральным узлом является концентратор, а в качестве среды передачи данных используется витая пара или оптоволоконный кабель. Физический уровень ЛВС Ethernet Кабельная система сети Ethernet является коммуникационной средой, по которой перемещаются кадры данных. Стандарт физического уровня содержит описание (спецификации) кабелей различных типов, пригодных для реализации сетей с методом доступа CSMA/CD. Обозначение спецификаций физического уровня в соответствии со стандартом 802.3:  где <СП>- скорость передачи в Мбит/с - может принимать значения 10, 100, 1000, а в случае гигабитных скоростей - 1G, 10G, 4G, ...; Base- метод передачи, означающий основополосную передачу (Baseband); <ТК> - тип кабеля: • 2 - тонкий коаксиальный; • 5 - толстый коаксиальный; • Т - витая пара (Twisted pair); • F - волоконно-оптический (Fiber); .... Основоположная (прямая, немодулированная) передача (baseband) - метод передачи данных, при котором цифровой сигнал направляется непосредственно в среду передачи без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного цифрового сигнала. Этот метод удобен для передачи данных по каналам с широкой полосой пропускания на небольшие расстояния и характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем широко используется в ЛВС. Широкополосная передача (broadband) - метод передачи данных, основанный на частотном FDM, временном TDM или волновом WDM уплотнении и создании нескольких частотных или временных каналов, по которым независимо друг от друга могут передаваться несколько потоков данных. Для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерское кодирование. Спецификация 1OBase-5 10Base-5 - стандарт физического уровня, являющийся частью стандарта IEEE 802.3 и описывающий работу сети Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (thick Ethernet), используемом в качестве основной магистрали. На рис.3.11 показан сегмент ЛВС Ethernet на толстом коаксиальном кабеле. Рабочие станции подключаются к магистральному кабелю с помощью трансиверного кабеля, состоящего из 4-х витых пар длиной до 50 м, и приемопередатчика (трансивера), расположенного непосредственно на коаксиальном кабеле. Трансивер представляет собой электрическое устройство, осуществляющее физическую передачу и приём данных. Расстояние между соседними трансиверами должно быть кратно 2,5 м для исключения влияния стоячих волн в кабеле на качество передачи сигнала. На концах магистрального кабеля располагаются терминаторы, поглощающие распространяющийся в кабеле информационный сигнал и препятствующие возникновению отражённого сигнала, искажающего полезный сигнал.  Несмотря на громоздкость и трудности при разводке, такая кабельная система позволяет строить достаточно протяженные сети. Таким образом, основные ограничения для одного сегмента ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-5 имеют вид: • максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) - 500 м; • минимальное расстояние между трансиверами - 2,5 м; • максимальное число узлов (трансиверов) на сегменте - 100; • максимальная длина трансиверного кабеля - 50 м. Стандарт 10Base-5 допускает построение многосегментных сетей с использованием повторителей. На рис.3.12 показана двухсегментная сеть. Максимальное количество сегментов в сети, допускаемое стандартом, равно 5. Это ограничение обусловлено тем, что повторители только усиливают сигналы, не восстанавливая их форму, что при большом количестве сегментов в сети может привести к появлению значительного процента ошибок.  При построении многосегментной сети необходимо учитывать следующие ограничения (рис.3.13): • сеть может состоять из 5 сегментов, соединенных через повторители; • в трёх сегментах можно подключать к кабелю до 100 узлов; два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети; • повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в центральном сегменте с двумя повторителями допускается иметь только 98 станций.  Правило построения многосегментнои сети с такими ограничениями получило название «5-4-3», означающее 5 сегментов соединяются с помощью 4-х повторителей, причём нагруженными являются только 3 сегмента.Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-5: • может содержать не более 296 узлов (рабочих станций); • иметь диаметр (максимальную длину кабеля) - не более 2,5 км. Спецификация 10Base-2 10Base-2 - стандарт физического уровня, утвержденный комитетом IEEE 802.3, описывающий работу сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (thin Ethernet - тонкий Ethernet, иначе ещё называемый Cheapernet - дешевый Ethernet). Согласно этой спецификации недопустимо использование отводов к рабочим станциям. Станции подключаются непосредственно к основной магистрали через Т-образные BNC-разъемы (рис.3.14). Таким образом,
тонкий коаксиальный кабель проходит через сетевые адаптеры всех станций. В остальном, принципы и правила построения одно- и многосегментных ЛВС на тонком и толстом коаксиальном кабеле аналогичны. Отличие - только в ограничениях на размер сети и количество станций. Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-2 имеют вид: • максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) - 185 м; • максимальное число узлов на сегменте - 30; • минимальное расстояние между узлами -1м; • многосегментная сеть строится по правилу «5-4-3»: максимально 5 сегментов, 4 повторителя, причём нагруженными являются 3 сегмента; • в каждом из трёх (средний и два крайних) сегментов можно подключать к кабелю до 30 узлов (рис.3.15); • два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети, к ним нельзя подсоединять станции; • повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в сети с двумя повторителями допускается иметь только 28 станций.
Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-2: > может содержать не более 86 узлов; > иметь диаметр (максимальную длину кабеля) - не более 925 м. Спецификация 1OBase-Т Спецификация 10Base-T, добавленная к стандарту 802.3 в конце 1991 года, описывает сеть Ethernet с топологией типа "звезда" и кабельной системой на основе неэкранированной витой пары. Согласно спецификации 10Base-T сегментом сети является кабель, соединяющий рабочую станцию и концентратор. Это означает, что к каждому сегменту может быть подключено лишь два устройства: станция и концентратор (рис.3.16), а количество сегментов равно количеству подключённых к
концентратору станций. _______________________  Однако ниже при рассмотрении многосегментных сетей для устранения неоднозначности под сегментом сети Ethernet 10Base-T будем понимать концентратор со всеми подключёнными к нему станциями, то есть сеть, показанную на рис.3.16, будем условно считать односегментной сетью. Многосегментная сеть будет представлять собой объединение нескольких концентраторов с подключёнными к ним станциями (рис.3.17). В отличие от рассмотренных выше спецификаций 10Base-5 и lOBase-2, при построении многосегментной сети Ethernet 10Base-T вместо правила «5-4-3» используется правило «4-х хабов», которое гласит, что между любыми двумя станциями в сети должно быть не более 4-х концентраторов (хабов). Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-T имеют вид: • максимальная длина кабеля (между концентратором и рабочей станцией или между двумя концентраторами) - 100 м (рис.3.17); • число концентраторов между любыми станциями - не более 4; • максимальный диаметр сети - 500 м (рис.3.18); • максимальное количество станций в сети - 1024.  Отметим, что максимальное количество станций в ЛВС Ethernet, равное 1024, может быть достигнуто только для спецификации 10Base-T за счёт применения 32-х портовых концентраторов (рис.3.19). В то же время для сетей, построенных на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2), это значение не достижимо.  Благодаря меньшей стоимости кабельной системы и возможности построения сетей с максимально допустимым количеством станций, сети 10Base-T получили доминирующее положение на рынке и практически полностью вытеснили сети, построенные на коаксиальном кабеле. Спецификация 10Base-F 10Base-F - совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК). Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда». 10Base-F включают в себя следующие стандарты. 1. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link): • длина оптоволоконного кабеля между повторителями - до 1 км; • максимальное число повторителей - 4; • максимальный диаметр сети - 2500 м. 2. Стандарт 10Base-FL (Fiber Link)- улучшенный вариант стандарта FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может достигать 2000 м, при этом: • максимальное число повторителей - 4; • максимальный диаметр сети - 2500 м. 3. Стандарт 10Base-FB (Fiber Backbone) предназначен только для объединения повторителей в магистраль, при этом: • между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB; • максимальная длина одного сегмента - 2000 м; • максимальный диаметр сети - 2740 м. В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5. В табл.3.2 сведены основные параметры стандартов оптических сетей Ethernet 10Base-F. Лекция 14. Канальный уровень ЛВС Ethernet Стандарт ЛВС Ethernet канального уровня IEEE 802.3 описывает формат используемых в сети кадров и метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD. В процессе эволюции сетей Ethernet появились 4 типа кадров: • Ethernet II или Ethernet DIX, предложенный фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX); • Raw 802.3 или 802.3/Novell, появившийся в результате усилий компании Novell по созданию своего стека протоколов в сетях Ethernet; • 802.3/LLC или 802.3/802.2, появившийся как результат разделения функций канального уровня на подуровни MAC и LLC; • Ethernet SNAP, появление которого было вызвано необходимостью приведения предыдущих форматов кадров к общему стандарту. Кадр Ethernet II (Ethernet DIX) Стандарт Ethernet II был разработан фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) и с небольшими изменениями принят в 1982 году. Формат кадра Ethernet II представлен на рис.3.20.  П - преамбула (8 байт): • используется для синхронизации станций сети; • содержит код 10101010 в первых семи байтах и код 10101011 в последнем байте. АН - адрес назначения (6 байт): • длина поля составляет 6 байт, но может быть 2 байта, если адрес установлен администратором ЛВС только для внутреннего пользования; • старший (самый первый) бит в поле адреса (рис.3.21) указывает тип адреса (I/G - Individual/Group): 0 - адрес назначения является индивидуальным,т.е. кадр предназначен конкретной рабочей станции; в остальных разрядах поля адреса назначения указывается уникальный физический адрес (МАС-адрес) конкретной рабочей станции; 1 - адрес назначения является групповым,т.е. кадр предназначен группе рабочих станций (тогда в последующих разрядах указывается адрес конкретной группы рабочих станций), или широковещательным,если все остальные разряды равны 1, то есть кадр адресован всем рабочим станциям в ЛВС; • второй бит в поле адреса указывает способ назначения адреса (U/L - Universal/Local): 0 - адрес является универсальным физическим адресом в ЛВС, т.е. адрес сетевого адаптера назначен централизованно комитетом IEEE, который распределяет между производителями сетевых адаптеров так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI), размещаемые в первых трех байтах адреса, а в следующих трех байтах помещается номер сетевого адаптера, присваиваемый производителем (рис.3.21); 1 - адрес локальный, т.е. назначен администратором ЛВС и используется только в пределах этой сети.  АИ - адрес источника (6байт): • длина поля составляет 6 байт, но, как и адрес назначения, может иметь длину 2 байта; • старший бит первого байта (поля I/G) всегда равен 0; • не может содержать широковещательный адрес: FF-FF-FF-FF-FF-FF. Тип- тип протокола (2 байта): • идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для его передачи или приема, и позволяющего множеству протоколов высокого уровня разделять ЛВС без вникания в содержимое кадров друг друга; • примеры значений поля «тип», идентифицирующих различные протоколы: > IP (Internet Protocol) 080016 > ARP (Adress Resolution Protocol) 080616 > Reverse ARP 803516 > Apple Talk 809Bi6 > NetWare IPX/SPX 813716 (здесь индекс \в - означает шестнадцатеричное число). Данные- поле данных (46-1500 байт): • может иметь длину от 46 до 1500 байт. КС - контрольная сумма: • содержитостаток избыточной циклической суммы (Cyclic Redundancy Checksum - CRC), вычисленной с помощью полиномов типа CRC-32 для всех полей кадра: АН+АИ+Тип+Данные(без преамбулы). Таким образом, минимальная длина кадра Ethernet (без преамбулы) 64 байта, а максимальная - 1518байтов. Кадр Raw 802.3 (IEEE 802.3/Novell) В основу стандарта IEEE 802.3 был положен кадр Raw 802.3, предложенный фирмой Novell и называемый также кадром 802.3/Novell, формат которого показан на рис.3.22.  Основные отличия этого кадра от кадра Ethernet II заключаются в следующем: 1) из восьмибайтового поля преамбулы П, которое стало длиной 7 байт, выделено однобайтовое поле НО - «Начальный ограничитель кадра», которое содержит код 10101011, указывающий на начало кадра; 2) вместо поля «Тип протокола» появилось двухбайтовое поле Д -«Длина», которое определяет длину поля данных в кадре; отсутствие поля «Тип протокола» обусловлено тем, что кадр 802.3/Novell соответствует только протоколу IPX/SPX и лишь этот протокол может работать с ним; 3) поле данных может содержать от 0 до 1500 байт, но если длина поля меньше 46 байт, то используется дополнительное поле Н -«Набивка», с помощью которого кадр дополняется до минимально допустимого значения в 46 байт, если поле данных меньше 46 байт. Таким образом, длина кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала кадра. Важной особенностью стандарта IEEE 802.3 является возможность передачи прикладным процессом данных длиной менее 46 байтов благодаря тому, что кадр автоматически дополняется до нужного размера пустыми символами в поле «Набивка». В стандарте Ethernet II такие ситуации рассматриваются как ошибочные. Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2) Кадр 802.3/LLC (802.3/802.2) содержит те же поля, что и Raw 802.3 (рис.3.23). Отличие состоит лишь в том, что в поле данных вставляется пакет подуровня управления логическим соединением LLC (без граничных флагов), содержащий в качестве заголовка три однобайтовых поля: • DSAP(Destination Service Access Point) - точка доступа к услугам получателя (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня получателя кадра; • SSAP(Source Service Access Point) - точка доступа к услугам источника (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня источника кадра; У - управление (1 или 2 байта) - содержит информацию для управления одним из трех сервисов, предоставляемых подуровнем LLC; например, значение 0316 соответствует ненумерованному формату в стандарте Ethernet 802.2, указывающему, что подуровень LLC обеспечивает обслуживание без установления логического соединения. Поля DSAP, SSAPи Уобразуют заголовок пакета LLC. Так как поле «Управление» пакета LLC имеет длину 1 (в режиме LLC1) или 2 байта (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт соответственно. Кадр Ethernet SNAP Кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol), протокол доступа к подсетям) предназначен для устранения разнообразия в форматах кадров и в
кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet. Структура кадра SNAP является развитием структуры кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, который находится за заголовком пакета LLC и включает в себя 2 поля: • идентификатор организации(3 байта) содержит идентификатор той организации, которая контролирует коды протоколов, указываемые в поле «тип» (коды протоколов для ЛВС контролирует IEEE, который имеет идентификатор организации, равный 000000; если в будущем потребуются другие коды протоколов, то достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, не меняя старые значения кодов); • тип(2 байта) - состоит из 2-х байт и соответствует полю «Тип» кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов более высокого сетевого уровня. При этом 3 поля заголовка пакета LLC в кадре Ethernet SNAP имеют вполне конкретные значения: • DSAP(1 байт) всегда содержит AAi6 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP; • SSAP(1 байт) всегда содержит AAi6 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP; • управление(1 байт) содержит число 03i6. Алгоритм определения типа кадра Практически все сетевые адаптеры Ethernet могут работать со всеми четырьмя типами кадров, автоматически распознавая их. На 3.24 приведена схема алгоритма определения типа кадра в ЛВС Ethernet. Поскольку для кодирования типа протокола в двухбайтовом поле «Тип/Длина» указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500 или в шестнадцатеричной системе счисления 05DCi6, кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению этого поля. Затем проверяется наличие или отсутствие полей LLC, которые могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины следует заголовок пакета IPX, а именно 2-байтовое поле, заполненное единицами. Затем проверяются значения полей DSAP и SSAP: если они равны AAi6, то это кадр Ethernet SNAP, в противном случае - кадр 802.3/LLC.  Протокол CSMA/CD При описании протокола CSMA/CD временные интервалы удобно измерять не в абсолютных единицах времени (мкс или мс), а в количестве так называемых «битовых интервалов». Битовый интервал — это интервал, соответствующий передаче одного бита, то есть это время между появлением двух последовательных бит. Обозначим через Ы - битовый интервал, тогда длительность битового интервала будет определяться следующим образом: tbt=\/C, где С -пропускная способность среды передачи (скорость передачи данных). При пропускной способности С=10 Мбит/с длительность битового интервала ты = 100 не и ты = 10 не при С=100 Мбит/с. Поскольку протокол CSMA/CD применяется в ЛВС Ethernet с пропускными способностями среды передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, использование понятия битового интервала позволяет обобщить описание протокола CSMA/CD для всех этих сетей. |
