Учебнопрактическое пособие Владимир 2021
 Скачать 7.94 Mb.
|
|
Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ 2.1. Информационные сети и системы В 1980 г. в институте инженеров по электротехники и радио- электроники – IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) был создан комитете 802 с целью разработки стандартов в области ЛС. Подготовка проектов стандартов была возложена на ряд соответ- ствующих подкомитетов. Многие сетевые стандарты IEEE легли в основу стандартов по ЛС Международной организации по стандарти- зации (International Organization for Standartization – ISO) и Междуна- родной комиссии по электротехнике (International Electrotechnical Commision – IЕС), которые для этих целей организовали совместный комитет JTCI. Подкомитет 802.1 IEEE разрабатывает методы межсетевого вза- имодействия и архитектуру системы управления ЛС, общую сово- купность стандартов для ЛС, которая включает: Стандарт IEEE 802 –основной стандарт для локальных и региональных сетей, одобренный в 1990 году и включающий обзор сетевых архитектур. Стандарт IEEE 802.1В –стандарт управления локальными / региональными сетями. Одобренный в 1992 году, он вместе с 802.1k лег в основу ISO/IEC 15802-2. Стандарт IEEE 802.1D –стандарт соединения локальных сетей на уровне MAC с помощью мостов. Одобренный в 1990 году, он лег в основу ISO/IEC 10038. Стандарт IEEE 802.1E – стандарт на протоколы системной нагрузки для локальных и региональных сетей. Одобренный в 1990 году, он лег в основу ISO/IEC 10038. Стандарт IEEE 802.1F – стандарт определения управляю- щей информации для серии 802, одобрен в 1993 году. Стандарт IEEE 802.1g – предложение по стандарту на уда- ленные мосты уровня MAC. 74 Стандарт IEEE 802.1H – рекомендуемые правила органи- зации мостов MAC в сетях Ethernet 2.0, одобрены в 1995 году. Стандарт IEEE 802.1i – стандарт на использование FDDI в качестве моста уровня MAC, одобрен в 1992 году и включен в ISO/IEC 10038. Стандарт IEEE 802.1j – дополнение к 802. 1D, одобрено в 1996 году. Данный стандарт описывает связь локальных сетей с по- мощью мостов уровня MAC. Стандарт IEEE 802.1k – стандарт для локальных и регио- нальных сетей на обнаружение и динамический контроль маршрути- зации событий, одобрен в 1993 году и вместе с 802.1В лег в основу ISO/IEC 15802-2. Стандарт IEEE 802.1m – описание соответствий для 802. 1E, рассматривающее определения и правила управляемых объектов для протокола системной нагрузки, одобрено в 1993 году и включено в ISO/IEC 15802-4. Стандарт IEEE 802.1р – предложение по стандарту для ло- кальных и региональных сетей, касающееся ускорения обработки трафика и многоадресной фильтрации с помощью мостов уровня MAC. Стандарт IEEE 802.1Q – предложение по стандарту на вир- туальные локальные сети с мостами. К этой группе стандартов по ЛС относятся также следующие стандарты МОС: Стандарт ISO/IEC 10038 – стандарт соединения локальных сетей с помощью мостов уровня MAC. Базирующийся на IEEE 802.1D и включающий 802.li и 802.1m он был одобрен в 1993 году. Стандарт ISO/IEC 15802-2 – общие спецификации на управление локальными и региональными сетями. Они базируются на стандарты IEEE 802.1В, 802.1k и были одобрены в 1994 году. Подкомитеты 802.2 и 802.3 – 802.5, опираясь на семиуровневую модель ВОС, выполнили дальнейшую декомпозицию уровней 1 и 2 модели. Согласно модели IEEE уровень звена данных поделен на два подуровня: управление логическим звеном LLC (Logical Link Control) 75 и управление доступом к среде MAC (Medium Access Control). Соот- ношение уровней ЭМВОС и IEEE для ЛС показано на рис. 2.1. В функции LLC входит передача кадров между станциями (управление потоком данных), включая исправление ошибок. На этом уровне вы- полняется также диагностика работоспособности узлов ЛС. Органи- зация LLC не зависит от алгоритмов доступа к физической среде и ее типа, если не считать временных соотношений. Группа стандартов уровня звена данных включает следующие стандарты IEEE и МОС: Стандарт IEEE 802.2 – стандарт для логического управле- ния каналом при связи локальных и региональных сетей, в основном с помощью мостов. Он лег в основу стандарта ISO/IEC 8802-2. Теку- щая версия одобрена в 1994 году и заменила более ранний стандарт 802.2 от 1989 года. Стандарт ISO/IEC 8802-2 – стандарт для логического управления каналом при связи локальных сетей, в основном с помо- щью мостов. Он базируется на IEEE 802.2 (редакция 1994 года) и включает 802.2а, 802.2b,802.2d, 802.2е и 802.5р. Данный стандарт за- менил версии обоих стандартов от 1989 года и был одобрен в 1994 году. В зависимости от технической реализации нижнего физического уровня выделены стандарты для разновидностей ЛС, каждый из кото- рых кроме специфических стандартов физического уровня включает также часть управления доступом к среде. Подуровень MAC реализу- ет алгоритм доступа к среде и адресацию станций ЛС. 76 Рис. 2.1 Соотношение уровней ЭМВОС и IEEE для ЛС Стандарт IEEE 802.3 – определяет линейную магистраль- ную (шинную) ЛС с множественным методом доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD). Стандарт ISO/IEC 8802-3 - стандарт на методы доступа CSMA/CD и физический уровень в локальных сетях. Он базируется на IEEE 802.3 и включает 802.3b, 802.3с, 802.3d, 802.3е, 802.3h, 802.3i, 802.3j, 802.3k, 802.3l, 802.3m, 802.3n, 802.3p, 802.3q, 802.3s, 802.3t и 802.3v. Одобренный в 1996 году, он заменил версию стандарта от 1993 года. Стандарт IEEE 802.3u – стандарт для сетей 100BaseX. Стандарт IEEE 802.4 (ISO/DIS 8802/4) – определяет линей- ную магистральную ЛС с передачей полномочий (маркеров). Маркер, представляющий собой определенную комбинацию бит, перемещает- ся от одного абонента (станции) к другому, образуя логическое коль- цо. Согласно этому стандарту может быть использована одна или не- сколько полос широкополосного канала. Сигналом является модули- рованная несущая. В таких ЛС возможна организация обмена разно- типной дискретной информацией по одному каналу как от различных компьютеров и других информационных или управляющих систем, 77 так и телевизионных и радиовещательных программ и телефонных разговоров. Недостатком подобных сетей являются их сложные про- токольная и аппаратная реализации. Стандарт IEEE 802.5 – определяет кольцевую ЛС с пере- дачей маркера. Стандарт ISO/IEC 8802-5 – стандарт на метод доступа и физический уровень сетей Token Ring, т. е. на общую архитектуру Token Ring. Он базируется на IEEE 802.5 и включает 802.5b. Принятая в 1995 г. редакция заменила стандарт 1992 года. Стандарт ISO/IEC 11802-4 – технический отчет (не стан- дарт) на базе IEEE 802.5. Он рассматривает методы доступа Token Ring для станций с подключением по оптическому кабелю. Данный отчет был опубликован в июне 1994 года. Стандарт IEEE 802.6 – стандарт, определяющий архитек- туру городской сети (MAN). Стандарт IEEE 802.7 – стандарт, определяющий метод пе- редачи сегментов по кольцу. Если сегмент, циркулирующий по коль- цу, пустой, станция, мимо которой он проходит, может поместить в него данные и передать в соседнюю станцию. Этот метод впервые был положен в основу при построении одной из первых сетей Cambridge Ring, которая была разработана в 70-х годах. По этому принципу были построены и другие первые локальные сети, напри- мер, отечественная ЛС «Эстафета». Стандарт IEEE 802.8 – определяет использование в ЛС во- локонно–оптической техники. Стандарт IEEE 802.9 – определяет построение интегриро- ванной сети передачи данных и речи. Стандарт ISO/IEC 8802-9 – стандарт на интерфейсы ло- кальных сетей на физическом уровне и уровне MAC. Базирующийся на IEEE 802.9, был одобрен в 1996 году. Стандарт IEEE 802.10 – стандарт, определяющий архитек- туру виртуальных ЛС. Стандарт IEEE 802.11 – стандарт на беспроводные (радио) ЛС. Стандарт 802.11 для сетей радиоEthernet предусматривает два 78 метода передачи – DSSS и FHSS. Метод DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – «метод прямой последовательности» предполагает пере- дачу с одиннадцатикратной избыточностью (одновременно по 11-ти подканалам). Метод FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – «метод частотных скачков» - предусматривает передачу узкополос- ным сигналом, частота которого скачкообразно меняется путем вы- бора очередного подканала из 79 возможных по псевдослучайному закону. Согласно стандарту 802.11 при построении радио ЛС преду- сматривается использование двух частотных диапазонов – 2400- 2483.5 МГц и 2.4-2.4835 ГГц. Первый рекомендуется для использова- ния внутри помещений, а второй – вне помещений. Максимальная дальность передачи в радио-ЛС может достигать 25 км. Стандарт IEEE 802.12 – стандарт, определяющий архитек- туру ЛС 100 VG Any LAN. 2.2. Архитектура локальных сетей типа Ethernet Метод доступа CSMA/CD Данный метод множественного доступа к среде используется в сетях Ethernet (стандарт IEEE 802.3) и реализует схему с состязанием, в которой сетевые узлы соревнуются за право использования среды. Узел, захвативший ресурс среды (выигравший состязание), может пе- редать один пакет, а потом должен ее освободить для других узлов. Если несколько узлов начинают передачу почти одновременно, воз- никает конфликт (столкновение) и все отправленные пакеты теряют- ся. Метод множественного доступа с контролем несущей и обна- ружением конфликтов МДПН/ОК (CSMA/CD – Сarrier Sense Multiple Access with Collision Detection)) устанавливает следующий порядок обмена в се- ти: если рабочая станция хочет воспользоваться моноканалом для пе- редачи данных, она сначала должна проверить состояние канала и только в том случае, когда канал свободен ей разрешается начать пе- 79 редачу. В процессе передачи станция продолжает прослушивание се- ти для обнаружения возможных конфликтов. Если возникает конфликт вследствие того, что два узла сети пы- таются одновременно занять канал, то обнаружившая конфликт АС (интерфейсная плата соответствующей АС) выдает в сеть специаль- ный сигнал (сигнал «пробки»), и обе станции временно прекращают передачу. Принимающая станция, как правило, отбрасывает частично уже принятое сообщение. Все рабочие станции в сети, которые хотят пе- редавать данные, в течение некоторого случайно выбранного проме- жутка времени выжидают, прежде чем начать передачу. Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время попытки повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет уве- личен. В сетях Ethernet конфликты неизбежны, так как между момен- том, когда рабочая станция проверяет, свободна ли сеть и моментом начала фактической передачи проходит некоторое время. Вполне возможно, что в течение указанного времени какая-нибудь станция в сети начнет передачу, но сообщение об этом не успеет достичь пунк- та своего назначения. Хотя для сетей данного типа конфликты неиз- бежны, благодаря высокой скорости передачи (10 Мбит/с и более) даже при повторных конфликтах пользователи могут не ощущать за- метного уменьшения скорости. Если же число конфликтов в сети ста- новится настолько большим, что это сказывается на ее работе, то необходимо серьезное администрирование данного фрагмента сети, а возможно и его реконфигурация. В соответствии со стандартом максимальный размер кадра в се- ти Ethernet составляет 1526 байт (12 208 бит), а минимальный — 72 байт (576 бит). При частоте передачи 10 МГц время передачи пакета минимальной длины составляет 57,6 мс. Это время несколько больше, чем удвоенное время распространения сигнала между крайними точ- ками кабеля, равное 51,2 мс. Последняя цифра получена исходя из 80 максимально допустимого в Ethernet расстояния между узлами равно- го 2500 м. Максимальное значение скорости устойчивой передачи для ме- тода CSMA/CD определяется в соответствии с соотношением: S = (1+6,2 * а) – 1, а = t * C/L, где: t – время распространения (включая время приема) в секун- дах, С – скорость передачи данных в моноканале и L – средняя длина пакета. Как видно из формулы, эффективность метода CSMA/CD опре- деляется длиной моноканала, скоростью передачи данных и мини- мальной длиной пакета данных. Диаграмма состояний, иллюстрирующая операции, выполняе- мые в соответствии с методом CSMA/CD на уровне звена данных, представлена на рис. 2.2. Большую часть времени уровень звена данных «прослушивает» канала связи. В этом состоянии анализируются все кадры, передавае- мые физическим уровнем. Если заголовок кадра содержит адрес, сов- падающий с адресом узла (адресом данной АС), уровень звена дан- ных переходит в состояние приема и завершает прием всего кадра (пакета). После завершения приема кадр передается на вышестоящий (сетевой) уровень, а уровень звена данных опять возвращается в со- стояние «прослушивания» канала. Передача кадра в канал осуществ- ляется только по запросу сетевого уровня. Когда выдается такой за- прос, а узел не находится в состоянии приема, уровень звена данных переходит в состояние ожидания. В этом состоянии узел ждет, когда освободится канал.Послеосвобождения канала начинается передача пакета. Если передача завершается успешно (без конфликта), узел опять переходит в состояние прослушивания канала. Если во время передачи кадра возникает конфликт, передача прерывается и повто- ряется вновь через случайное время ожидания. При этом узел перехо- 81 дит в состояние задержки. В этом состоянии он находится некоторое время и потом опять переходит в состояние ожидания. Рис. 2.2. Алгоритм CSMA/CD Пример формата кадра Ethernet Технология Ethernet относится ко второму (канальному) уровню эталонной модели взаимосвязи открытых систем. Протокольным бло- ком данных этого уровня является кадр. Кадры Ethernet бывают четы- рех различных форматов, среди которых наиболее часто используется формат Ethernet II (или Ethernet DIX; DIX – это сокращение от назва- ний трех компаний – DEC, Intel, Xerox, – вместе разработавших спе- цификации стандарта Ethernet DIX), приведенный в табл. 1. Поле преамбула представляет собой последовательность из 7 байт 10101010 и служит для тактовой синхронизации приемника. Поле SFD, Start of Frame Delimiter – начальный ограничитель кадра. Выполняет функцию флага для цикловой синхронизации при- 82 емника. Получив этот байт, приемник понимает, что следующим бай- том будет первый байт заголовка кадра. Адрес назначения и адрес источника – это адреса подуровня управления доступом к среде (MAC, Media Access Control) канального уровня структуры стандартов IEEE 802.x, или MACадреса. Для про- стоты эти адреса можно считать адресами канального уровня, т.к., Таблица 1. Формат кадра Ethernet II (DIX) 7 байт 1 байт 6 байт 6 байт 2 байта 46 – 1500 байт 4 байта Преам- була 1010 …..1010 SFD 1010101 1 Адрес назна- чения (Destina- tion) Адрес источ- ника (Sourse) Тип прото- кола (Type) Данные Кон- трольная кадра (FCS) Заголовок Концевик например, в наиболее часто используемом формате кадра Ethernet II (DIX) поле подуровня управления логическим каналом (LLC, Logical Link Control) отсутствует. MAC-адреса называются также локальны- ми, аппаратными или физическими адресами. В отличие от MAC- адресов, IP-адреса являются логическими и называются также сете- выми или протокольными адресами. Фактически, MAC-адрес – это адрес сетевой платы хоста, запи- санный ее производителем в ПЗУ. Он состоит из 48 разрядов. Первые 24 разряда являются уникальным идентификатором организации (OUI, Organizationally Unique Identifier), назначаемым Комитетом IEEE каждому производителю оборудования, вторые 24 разряда назначаются самим производителем каждой изготовленной им плате. Например, для компании Cisco Комитет IEEE назначил OUI 00 60 2F (в шестнадцатеричной форме). Таким образом, в старших 24 разрядах MAC-адреса всех сетевых плат, произведенных компанией Cisco, бу- дет двоичная комбинация 0000 0000 0110 0000 0010 1111. 83 В поле тип протокола указывается идентификатор протокола вышележащего уровня, вложившего свой пакет в поле данных кадра. Как было упомянуто выше, кадр – это протокольный блок данных ка- нального уровня. Вышележащим по отношению к канальному являет- ся сетевой уровень. Примеры протоколов сетевого уровня – IP, IPX. Например, если в поле данных кадра вложен пакет IP, то значение поля тип протокола в шестнадцатеричной форме – 0800, что иденти- фицирует протокол IP. В поле данные вкладывается протокольный блок данных выше- лежащего уровня, например, пакет IP. Для обеспечения надежного распознавания коллизий длина поля данных не должна быть меньше 46 байт. Если в поле данных вкладывается пакет длиной менее 46 байт, поле данных дополняется до 46 байт нулями или единицами. Контрольная последовательность кадра (FCS, Frame Check Sequence) – это 32 бита циклического избыточного кода для обнару- жения ошибок. Контрольная последовательность кадра, вычисляется на основе содержимого заголовка и данных (вместе с заполнителем, но без учета преамбулы и ограничителя) с помощью 32-разрядного циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Code – CRC) с порождающим полиномом: x 32 +x 26 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 +x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x +1. |