360
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Ethernet со скоростью 10 Мбит/с
на разделяемой среде
MAC-адреса
На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентифи
кации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом
IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами. Обычно МАС- адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес.
Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения яв
ляется признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен
0, то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1, то групповым. Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурирован
ными (вручную или автоматически по запросу вышележащего уровня) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом с ним ассоциируется еще один адрес — групповой.
В частном случае, если групповой адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцате
ричное представление OxFFFFFFFFFFFF, он идентифицирует все узлы сети и называется
широковещательным.
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса — централизо
ванный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), это говорит о том, что адрес назначен централизованно по правилам
IEEE 802.
ВНИМАНИЕ------------------------------------------------------------------------------------------------------
В стандартах IEEE Ethernet младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший
бит — в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка следования битов в байте
соответствует порядку передачи битов в линию связи передатчиком Ethernet (первым передается
младший бит). В стандартах других организаций, например RFC IETF, ITU-T, ISO, используется
традиционное представление байта, когда младший бит считается самым правым битом байта, а стар*
ший — самым левым. При этом порядок следования байтов остается традиционным. Поэтому при
чтении стандартов, опубликованных этими организациями, а также чтении данных, отображаемых
на экране операционной системой или анализатором протоколов, значения каждого байта кадра
Ethernet нужно зеркально отобразить, чтобы получить представление о значении разрядов этого
байта в соответствии с документами IEEE. Например, групповой адрес, имеющий в нотации IEEE
вид 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 или в шестнадцатеричной записи
80-00-A7-F0-00-00, будет, скорее всего, отображен анализатором протоколов в традиционном виде
как 01-00-E5-0F-00-00.
Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования так называемые
организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI).
Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса (например, идентификатор 0x0020AF определяет компанию 3COM, а ОхОООООС -
Cisco). За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудо
Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде
361вания. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей — Ethernet, Token Ring,
FDDI и т. д. Локальные адреса назначаются администратором сети, в обязанности которого входит обеспечение их уникальности.
Сетевые адаптеры Ethernet могут также работать в так называемом
режиме неразборчивого захвата (promiscuous mode),
когда они захватывают все кадры, поступающие на интер
фейс, независимо от их МАС-адресов назначения. Обычно такой режим используется для мониторинга трафика, когда захваченные кадры изучаются затем для нахождения причины некорректного поведения некоторого узла или отладки нового протокола.
Форматы кадров технологии EthernetСуществует несколько стандартов формата кадра Ethernet. На практике в оборудовании
Ethernet используется только один формат кадра, а именно кадр Ethernet DIX, который иногда называют кадром Ethernet II по номеру последнего стандарта DIX. Этот формат представлен на рис. 12.5.
6 байт
6 байт
2 байта
46-1500 байт
4 байта
DA
SA
Т
Данные
FCS
Рис. 12.5. Формат кадра Ethernet DIX (II)Первые два поля заголовка отведены под адреса:
□ DA (Destination Address) — МАС-адрес узла назначения;
□ SA (Source Address) — МАС-адрес узла отправителя.
Для доставки кадра достаточно одного адреса — адреса назначения; адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить. Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet, это дело протоколов верхних уровней. Ethernet же только выпол
нит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.
□ Поле Т (Туре, или
Etheriype) содержит условный код протокола верхнего уровня, дан
ные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение
08-00 соответствует протоколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
□ Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения. Эта операция требуется для корректной работы метода доступа Ethernet
(он рассматривается в следующем разделе).
U Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из
4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.
Кадр Ethernet DIX (II) не отражает разделения канального уровня Ethernet на уровень
MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интер-
362Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой сре;
фейсные функции поля
Т относятся к функциям уровня LLC, в то время как все остальнь поля поддерживают функции уровня MAC.
Существуют еще три стандартных формата кадра Ethernet:
□ Кадр 802.3/LLC является стандартом комитета IEEE 802 и построен в соответстви с принятым разбиением функций канального уровня на уровень MAC и уровень LU
Поэтому результирующий кадр является вложением кадра LLC, определяемого стаї дартом 802.2, в кадр МАС, определяемого стандартом 802.3.
□ Кадр
R a w 8 0 2 . 3 , или
N o v e l l 8 0 2 . 3 , появился в результате усилий компании Novell г ускорению разработки своего стека протоколов в сетях Ethernet.
□ Кадр
E t h e r n e t S N A P стал результатом деятельности комитета
8 0 2 . 2 по приведени предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и приданию кадр необходимой гибкости для учета в будущем возможностей добавления полей или и: менения их назначения.
Как уже было сказано, в настоящее время оборудованием Ethernet используются тольк кадры Ethernet DIX (И). Остальные форматы кадров, в том числе кадр 802.3/LLC, ш
прежнему формально являющийся стандартным, вышли из употребления из-за боле сложного формата, который оказался не нужен в условиях существования единой техш логии канального уровня.
Более подробную информацию о форматах кад- ров Ethernet можно найти на сайте www.olifer.co.uk в документе «Форматы кадров Ethernet».
Доступ к среде и передача данныхМетод доступа, используемый в сетях Ethernet на разделяемой проводной среде1, носи название CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — прослушив; ние несущей частоты с множественным доступом и распознаванием коллизий). Названи метода достаточно хорошо описывает его особенности.
Все компьютеры в сети на разделяемой среде имеют возможность немедленно (с учета задержки распространения сигнала в физической среде) получить данные, которые любо из компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключен! все станции, работает в режиме
к о л л е к т и в н о г о д о с т у п а (Multiply Access, МА).
Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедитю что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоник сигнала, которая еще называется
н е с у щ е й ч а с т о т о й (Carrier Sense, CS).
Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая прі манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц в зависимости от последовательності единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
1 В беспроводных сетях Ethernet применяется другой метод доступа, известный как C S M А / С А . Это метод рассматривается далее в разделе «Б е с п р о в о д н ы е л о к а л ь н ы е сети I E E E 802.11». Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде
363Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. В примере, показанном на рис. 12.6, узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В коак
сиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что их получают все узлы сети. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение 10101010, и 8-го байта, равного 10101011.
Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Преамбула нужна для вхож
дения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и сле
дующий бит является началом кадра.
ШинаУзел 1ПередачаПопытка доступа, к шине узла 2Узел 2 |Ожидание> 9,6 мксКоллизия (jam)Случайная паузаПередачаА А
Узел 3ПередачаПередача1
Попытка''доступа к шине узла 3Ожидание]Рис. 12.6. Метод случайного доступа CSMA/CDВсе станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содер
жимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают.
Станция назначения обрабатывает полученные данные и передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и
адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, од
нако обнаруживает, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения моно
польного захвата сре^ы одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. В приведенном при
мере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
364
Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде
Возникновение коллизии
Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения си
туации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.
Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере на рис. 12.7 коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновре
менно, такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую (сигналы первого узла еще не успели до него дойти), начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.
лътпшгштл-
Узел 1 I
I
-L- Узел 3
зёл1
ДІ
_1_ Узел
□
□
□
_rmnjm:;;:::;;xLri л л
s
л
і и
Среда свободна -
Столкновение у узелЗ начинает сигналов
В передачу
ТП5--- 2Ґ'
М
вЖ
В
к
Узел 3 обнаруживает коллизию
Коллизия распространяется до узла 1
Рис. 12.7.
Схема возникновения и распространения коллизии
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возни
кающими на кабелехйгналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для повышения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усугубляет коллизию посылкой в сеть специальной последователь
ности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.
Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде
365После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза e
L х (интервал отсрочки).
В технологии Ethernet
и н т е р в а л о т с р о ч к и выбран равным значению 512 битовых интерва
лов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна
0,1 мкс, или 100 не.
L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0,2
N], гдеЛҐ— номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается.
Таким образом, случайная пауза в технологии Ethernet может принимать значения от 0 до52,4 мс.Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм носит название
у с е ч е н н о г о э к с п о н е н ц и а л ь н о г о д в о и ч н о г о а л г о р и т м а о т с р о ч к и .Поведение сети Ethernet при значительной нагрузке, когда коэффициент использования среды растет и начинает приближаться к 1, в целом соответствует графикам, которые были приведены в главе 7 при анализе модели теории очередей М /М /1. Однако рост времени ожидания освобождения среды в сетях Ethernet начинается раньше, чем в модели М/М1.
Это происходит из-за того, что модель М /М /1 является очень простой и не учитывает такой важной особенности Ethernet, как коллизии.
Администраторы сетей Ethernet на разделяемой среде руководствуются простым эмпи
рическим правилом — коэффициент использования среды не должен превышать 30 %.
Для поддержки чувствительного к задержкам трафика сети Ethernet (и другие сети на разделяемой среде) могут применять только один метод поддержания характеристик
QoS -
недогруженный режим работы.Время оборота и распознавание коллизийНадежное распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым усло
вием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не рас
познает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, этот кадр будет утерян.
Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет от
бракован принимающей станцией из-за несовпадения контрольной суммы. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, либо протоколом LLC, если он работает в режиме LLC2. Однако повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже (иногда по прошествии нескольких секунд), чем повторная передача средствами сети Ethernet, работающей с микросекундными интервалами. Поэтому если коллизии не будут надежно
366Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:
Гтіп > RTT.
Здесь r min — время передачи кадра минимальной длины, a RTT —
время оборота, то есть время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. В худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а в обратном направлении — сигнал, уже искаженный коллизией).
При выполнении этого условия передающая станция должна успеть 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 минимальной дли
ны кадра и скорости передачи данных протокола, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
гнщобран^такиМ а с ^ д м ; чтсХЬг йри нормальной работе
■
■
Так, стандарт Ethernet определяет минимальную длину поля данных кадра в 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преам
булой — 72 байт, или 576 бит). Отсюда может быть вычислено ограничение на расстояние между станциями. В стандарте Ethernet 10 Мбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно,
время оборота должно быть меньше57.5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учитывая, что за время
57.5 мкс сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана равной
2500 м, что существенно меньше. Это объясняется тем, что повторители, которые нужны для соединения пяти сегментов кабеля, вносят задержки в распространение сигнала.
Описанные соображения объясняют выбор минимальной длины поля данных кадра в 46 байт. Уменьшение этого значения до 0 привело бы к значительному сокращению максимальной длины сети.
Требование Гтіп > RTT имеет одно интересное следствие: чем выше скорость протокола, тем меньше должна быть максимальная длина сети. Поэтому для Ethernet на разделяемой среде при скорости в 100 Мбит/с максимальная длина сети пропорционально уменьшается до 250 м, а при скорости в 1 Гбит/с — до 25 м. Эта зависимость, наряду с резким ростом задержек при повышении загрузки сети, говорит о еще одном коренном недостатке метода доступа CSMA/CD.
✓ *
Скачать 22.28 Mb.