Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD; Стандарт 802.3 описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом этого стандарта является метод доступа стандарта Ethernet;

802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

Стандарт 802.4 определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип фирменный стандарт ArcNet;

802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

Стандарт 802.5 описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип - фирменный стандарт Token Ring.

С остальными комитетами (до 17-го) мы подробно не будем знакомиться. Кратко заметим следующее:

IEEE-802.6 – городская локальная сеть (Metropolitan Area Network MAN). IEEE-802.7 – широковещательная технология

IEEE-802.8 – оптоволоконная технология

IEEE-802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных

IEEE-802.10 – безопасность сетей.

IEEE-802.11 – беспроводная сеть

IEEE-802.12 -  высокоскоростные компьютерные сети (локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда 100VG-AnyLAN)

Стандарты IEEE-802.3, IEEE-802.4, IEEE-802.5, IEEE-802.12 – прямо относятся к подуровню MAC второго канального уровня эталонной модели OSI . Остальные спецификации решают общие вопросы.

 

7.3 Сети Ethernet и Fast Ethernet

7.3.1 Базовая сетевая технология Ethernet -  краткий обзор возможностей

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet (1997 - 80% рынка), которая впервые появилась в 1972 (Xerox). В 1980 ее поддержали такие крупнейшие фирмы как DEC и Intel, образовав объединение DIX. В 1985 Ethernet стала международным стандартом – IEEE 802.3.

Характеристики стандарта:

• Топология - шина,
• Среда передачи – коаксиальный кабель,
• Скорость передачи – 10Мбит/с
• Максимальная длина – 5км
• Максимальное количество абонентов – 1024
• Длина сегмента сети – 500м
• Количество абонентов на одном сегменте – до 100
• Метод доступа - множественный доступ моноканалу типа «шина» с обнаружением конфликтов и контролем несущей (CSMA/CD),
• Передача узкополосная, т.е без модуляции (моноканал)

В классической сети Ethernet применяется 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако с начала 90-х годов все большее распространение получает версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. В стандарты были внесены соответствующие добавления.

В Ethernet кроме стандартной топологии «шина» применяются также топологии типа «пассивная звезда» и «пассивное дерево». При этом предполагается использование репитеров и пассивных (репитерных) концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети (рис. 7.2). В качестве сегмента может выступать единичный абонент. Коаксиальный кабель используется для шинных сегментов, а витая пара и оптоволоконный кабель – для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров).

Рис. 7.2. Топология сети Ethernet

Главное - чтобы в полученной в результате топологии не было замкнутых путей (петель), фактически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце). Максимальная длина кабеля всей сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 км, но практически не превышает 2,5км.

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный код Манчестер-11. При этом один уровень сигнала нулевой, а другой - отрицательный, то есть постоянная составляющая сигнала не равна нулю. При отсутствии передачи потенциал в сети нулевой. Гальваническая развязка осуществляется аппаратурой адаптеров, репитеров и концентраторов. При этом приемопередатчик сети гальванически развязан от остальной аппаратуры с помощью трансформаторов и изолированного источника питания, а с кабелем сети соединен напрямую.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/ CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.3.

Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельная

величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

• Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых представляют собой код 10101010, а последний восьмой - код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт называется признаком начала кадра (SFD - Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
• Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (передатчика) включают по 6 байт и представляют собой MAC-адреса.
• Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.
• Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data - незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда больше 46 байт.
• Поле контрольной суммы (FCS - Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.

Рис. 7.3. Структура пакета сети Ethernet, (цифры показывают количество байт)

 

Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet, 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа среды передачи информации:

• 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
• 10 BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
• 10BASE-T (витая пара);
• 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» - 500 метров, «2» - 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: «Т» -витая пара (от английского «twisted-pair»), «F» - оптоволоконный кабель (от английского «fiber optic»). Более подробно эти сведения можно получить из лабораторных работ по курсу.

 

7.3.2 Преемственность стандарта 802.3 и стандартов 802.3u и 802.12

В 1995 году появился стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт 1ЕЕЕ 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. Появилась версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z). Поговорим немного о причинах перехода на Fast Ethernet.

К началу 90-х годов пропускной способности сети - 10 Мбит/с уже было недостаточно для некоторых потребностей пользователей. В этот период особенно интенсивными темпами стали развиваться компьютерные технологии в целом. Стали широко распространяться новые, более мощные компьютеры с новой, более скоростной шиной передачи данных, а также более мощное и усовершенствованное сетевое оборудование. Так, в середине 90-х появились, и сразу стали массово применятся в локальных сетях, - коммутаторы. Коммутаторы имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между портами одновременно, что само собой предусматривает существенное повышение производительности сети. В это же время уже появились первые экспериментальные сети, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. Надо сказать, что до этого только технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI), которая использует оптоволоконную среду передачи данных, обеспечивала такую битовую скорость. Но тот момент она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.

Таким образом, назрела необходимость в разработке "нового" Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же простой и эффективной по соотношению цена/качество, но обладала бы производительностью не менее, чем на порядок выше, а именно - 100 Мбит/с.

Этой задачей серьезно заинтересовались многие ведущие лидеры среди производителей сетевых технологий. В результате поисков и исследований на пути к решению задачи, специалисты разделились на два лагеря, что, в конечном итоге привело к появлению двух новых технологий - Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

Эти две технологии отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet. Fast Ethernet оставила самую основу работы технологии Ethernet - метод доступа CSMA/CD, а 100VG-AnyLAN отказалась от него. Но, давайте рассмотрим все по порядку.

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 новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet.

В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована отдельная исследовательская группа для изучения потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE провела серьезную работу над изучением всех 100-мегабитных решений, которые были предложены различными производителями. Группа IEEE 802 наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD в новой технологии.

Название CSMA/CD можно разбить на две части:

• Carrier Sense Multiple Access
• Collision Detection.

Из первой части имени можно заключить, каким образом узел с сетевым адаптером определяет момент, когда ему следует послать сообщение. В соответствии с методом CSMA, станция вначале "слушает" сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если прослушивается несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением, - станция переходит в режим ожидания и пребывает в нем, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Фактически данные посылаются всем станциям сети или сегмента, но принимаются только той станцией, которому они адресованы.

Collision Detection - вторая часть имени - служит для разрешения ситуаций, когда две или более станции пытаются передавать сообщения одновременно. Согласно методу CSMA, каждый готовая к передаче станция должна вначале слушать сеть, чтобы определить, свободна ли она. Однако, если две станции "слушают сеть" в одно и тоже время, и в какой-то момент времени обе решат, что сеть свободна, то они начнут передавать свои кадры одновременно. В этой ситуации передаваемые кадры накладываются друг на друга - происходит коллизия, и в итоге ни один кадр не доходит до пункта назначения. Для надежного определения коллизий нужно, чтобы станция "наблюдала сеть" и после передачи кадра. Если обнаруживается коллизия, то станция повторяет передачу после случайной паузы и вновь проверяет, не произошла ли коллизия, и только после 16-й неудачной попытки передачи кадра в сеть он отбрасывается. Метод CSMA/CD "притягивает" разработчиков своей простотой реализации, но одновременно и предполагает разработку дополнительных средств, которые смогли бы исправить его недостатки, связанные с влиянием задержек распространения сигнала.

Сетевая технология, предложенная Fast Ethernet Alliance, сохранила метод CSMA/CD, и тем самым обеспечила согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority - приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, поэтому для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 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.

А комитет 802.12 в это же время принял новую технологию 100VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority. О ней мы поговорим несколько позже. А в этом разделе мы займемся изучением того, что же нового принесла технология Fast Ethernet

 

7.3.3 Технология Fast Ethernet

Главным коммерческим аргументом технологии Fast Ethernet стало то, что она базируется на наследуемой технологии Ethernet:

1. Так как в Fast Ethernet используется тот же метод передачи пакетов и кабельные системы совместимы, то для перехода к стандарту Fast Ethernet от стандарта Ethernet требуются меньшие капитальные вложения, чем для установки других видов высокоскоростных сетей.
2. Поскольку Fast Ethernet представляет собой продолжение стандарта Ethernet, все инструментальные средства и процедуры анализа работы сети, а также все программное обеспечение должны в данном стандарте сохранить работоспособность, следовательно, среда Fast Ethernet будет знакома администраторам сетей, имеющим опыт работы с Ethernet, а значит, обучение персонала займет меньше времени и обойдется существенно дешевле.
3. Решение оставить метод CSMA/CD без изменения принесло наибольшую практическую пользу новой технологии среды Fast Ethernet.

Итак, новая технология Fast Ethernet сохранила весь MAC уровень классического Ethernet, но пропускная способность была повышена до 100 Мбит/с., следовательно, поскольку пропускная способность увеличилась в 10 раз, то битовый интервал уменьшился в 10 раз, и стал теперь равен 0,01 мкс.

Поэтому в технологии Fast Ethernet время передачи кадра минимальной длины в битовых интервалах осталось тем же, но равным 5,75 мкс.

Ограничение на общую длину сети Fast Ethernet уменьшилось до 200 метров.

Использование коммутаторов, которые передают данные по нескольким портам одновременно и тем самым сокращают общую длину сети, сняло ограничения на общую длину сети, остались только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (сетевой адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно, применяется, но только совместно с коммутаторами.