Модель OSI. Введение в протоколы и архитектуру сетей. Модель OSI и протоколы. Модели Ethernet, TokenRing, FDDI и их протоколы. Модель X.25 и Frame Relay и их прото

Метод CSMA/CD создает неопределенность времени доступа к сети, что делает ее неудобной для решения некоторых задач управления в реальном масштабе времени, где требуется малое время реакции системы на внешнее воздействие.

Исторически первой появилась схема подключения к толстому 50-омному коаксиальному кабелю  через трансивер и многожильный кабель типа AUI (attachment unit interface, максимальная длина 50 м). Трансивер подключается к кабелю методом "наколки", то есть во внешней оплетке и изоляции сверлится с помощью специального инструмента отверстие и через него осуществляется контакт трансивера с центральной жилой кабеля и экраном. Кабель по возможности не должен содержать сросток, в противном случае его предельная длина должна быть сокращена. Кабельный сегмент должен быть согласован с обоих сторон с помощью терминаторов (50 Ом ±1%). Позднее стала популярной схема соединений через тонкий коаксиальный кабель и t-образные коаксиальные разъемы (волновое сопротивление 50 Ом). В настоящее время наибольшее применение находит схема со специальными многовходовыми повторителями-концентраторами (Hub) и подключением оконечного оборудования через скрученные пары. Для подключения используется 8-контактный разъем RJ-45. Этому способствует удешевление категорированных скрученных пар, соответствующих повторителей, а также большая надежность и лучшая ремонтоспособность таких сетей.

Оптоволоконная версия ethernet привлекательна при объединении сегментов сети, размещенных в различных зданиях, при этом увеличивается надежность сети, так как ослабляется влияние электромагнитных наводок, исключается влияние различия потенциалов земли этих участков сети. Облегчается переход от 10- к 100-мегагерцному Ethernet, также можно использовать уже имеющиеся оптоволоконные каналы, ведь они будут работать и на 100 Мбит/с (возможна реализация сетей со смешанной структурой, где используется как 100- так и 10-мегагерцное оборудование). На программном уровне 10- и 100-МГц ethernet не различимы. Требования к параметрам опто-волоконных кабелей не зависят от используемого протокола (FDDI, Token Ring, Fast Ethernet и т.д.) и определяются документом EN 50173 (European norm). Это утверждение не относится к топологии кабельных связей, которые в общем случае зависят от используемого протокола.

Следует учитывать, что для сетей Ethernet практически нет ограничений по размеру (за счет использования оптоволоконных переключателей). Сеть может быть локальной, общегородской или даже междугородней.

 

3.6. IEEE 802.5 (Token Ring)

 

Сети Token Ring были разработаны фирмой IBM в 1970-х годах и рассчитана на скорость обмена 4.16 Мбит/c при числе сегментов до 250. По своей популярности она уступает лишь Ethernet/IEEE 802.3. Спецификация IEEE 802.5 практически идентична ей и полностью совместима. Сеть Token Ring имеет топологию звезды, все оконечные станции которой подключаются к общему устройству (MSAU - MultiStation Access Unit). В IEEE 802.5 топология не оговаривается, не регламентирована здесь и сетевая среда. В Token Ring сеть базируется на скрученных парах. Обе эти разновидности сети используют схему передачи маркера (небольшой пакет - token).

В отличие от сетей с csma/cd доступом (например, Ethernet) в IEEE 802.5 гарантируется стабильность пропускной способности (нет столкновений). Сети Token Ring имеют встроенные средства диагностики, они более приспособлены для решения задач реального времени, но в то же время более дороги.

Маркер содержит лишь поля стартового разделителя(sdel), управления доступом (AC) и оконечного разделителя (EDEL, всего 3 байта). Если узел получил маркер, он может начать передачу информации, в противном случае он просто передает маркер следующему узлу. Каждая станция может захватить маркер на определенное время. Станция, намеревающаяся что-то передать, захватывает маркер, меняет в нем один бит, который преобразует маркер во флаг начала кадра, вносит в кадр информацию, подлежащую пересылке, и посылает его следующей станции. Передающая станция ответственна за изъятие из кольца переданных ею кадров (станция не ретранслирует собственные кадры). Введенный в сеть кадр будет двигаться по сети, пока не попадет в узел, которому он адресован и который скопирует необходимую информацию. При этом устанавливается флаг копирования (FCI), что свидетельствует об успешной доставке кадра адресату. Кадр продолжает движение, пока не попадет в узел отправитель, где он будет уничтожен. При этом проверяется, подключена ли к сети станция-адресат. Это делается путем контроля API (индикатора распознавания кадра адресатом). Сеть Token Ring идеальна для приложений, где задержка получения информации должна быть предсказуемой, и требуется высокая надежность.

Сетевые станции подключаются к MSAU, которые объединяются друг с другом, образуя кольцо. Если станция отключилась, MSAU шунтирует ее, обеспечивая проход пакетов. Стандарт Token Ring использует довольно сложную систему приоритетов, которая позволяет некоторым станциям пользоваться сетью чаще остальных. Кадры Token Ring имеют два поля, которые управляют доступом приоритет и резервирование. Только станции с приоритетом равным или выше, чем приоритет маркера, могут им завладеть. Если маркер уже захвачен и преобразован в информационный кадр, только станции с приоритетом выше, чем у станцииё отправителя, могут зарезервировать маркер на следующий цикл. Станции, которые подняли приоритет маркера, должны его восстановить после завершения передачи.

Сети Taken Ring имеют несколько механизмов для обнаружения и предотвращения влияния сетевых сбоев и ошибок. Например, пусть одна из станций выбрана в качестве активного монитора. Эта станция работает как центральный источник синхронизации для других станций сети и выполняет ряд других функций. Одной из таких функция является удаление из кольца бесконечно циркулирующих кадров (маркеров). Если отправитель ошибся, установив, например ошибочный адрес места назначения, это может привести к зацикливанию кадра. Ведь кадр может быть поврежден в пути и отправитель его уже не узнает. А это в свою очередь блокирует работу остальных станций. Активный монитор должен обнаруживать такие кадры, удалять их и генерировать новый маркер. Функции активного монитора часто выполняют MSAU. Попутно msau может контролировать, какая из станций является источником таких дефектных кадров, и вывести ее из кольца. Если станция обнаружила серьезную неполадку в сети (например, обрыв кабеля), она посылает сигнальный кадр (beacon). Такой кадр несет в себе идентификатор отправителя и имя соседа-предшественника (NAUN - nearest active upstream neighbour). Такой кадр инициализирует процедуру автореконфигурации, при которой узлы в районе аварии пытаются реконфигурировать сеть так, чтобы ликвидировать влияние поломки. Топологическая схема сети ieee 802.5 представлена на рис. 8.

Рис. 8. Топология сети Token Ring

Периферийные ЭВМ подключаются к блокам msau по схеме звезда, а сами MSAU соединены друг с другом по кольцевой схеме. Возможна реализация схемы звезда и иным способом, показанным на рис. 9. Здесь объединяющую функцию выполняет блок концентратора.

Рис. 9. Реализация Token Ring по схеме звезда

Концентратор может шунтировать каналы, ведущие к ЭВМ, с помощью специальных реле при ее отключении от питания. Аналогичную операцию может выполнить и блок msau. Управление сетью возлагаются на пять функциональных станций, определенных протоколом. Некоторые контрольные функции выполняются аппаратно, другие реализуются с помощью загружаемого программного обеспечения. Каждая из функциональных станций имеет свои логические (функциональные) адреса. Функциональные станции должны реагировать как на эти функциональные, так и на свои собственные аппаратные адреса. Общий формат заголовка кадра Token Ring представлен на рис. 10. Размер поля данных, следующего за адресом отправителя, может иметь произвольную длину, в том числе и нулевую. В это поле может быть вложен пакет другого протокола, например, LLC.

Рис. 10. Формат информационного кадра для IEEE 802.5

В начале поля данных может размещаться LLC-заголовок, который содержит в себе 3-8 байт. Собственно этот заголовок, да поле управления кадром и отличают информационный кадр от кадра управления доступом (см. рис. 11).

Рис. 11. Формат кадра управления доступом для IEEE 802.5 (цифрами обозначены размеры полей в байтах)

Вслед за адресом отправителя следует информация управления доступом к среде. Кадры управления доступом служат исключительно для целей управления сетью и не передаются через бриджи и маршрутизаторы. Управляющая информация включает в себя основной вектор и несколько субвекторов. Основной вектор задает тип УДС-кадра (или команду) и типы (или классы) станций отправителя и получателя, всего 4 байта. Субвекторы содержат информацию об адресе соседа-предшественника, номер физического отвода кабеля и пр. (3 и более байт). На рис. 12. представлен формат основного вектора.

 

Рис. 12. Формат основного вектора

Субполе длина определяет полную протяженность информационного поля УДС-кадра и равна сумме длин основного вектора и всех субвекторов. Субполе класс характеризует станции отправителя и получателя. Каждой из станций выделено по 4 двоичных разряда, которые описывают типы этих станций. Субполе команда содержит код, передаваемой УДС-кадром команды.

 

3.7. Сети FDDI

 

Одной из наиболее популярных сетей, использующих оптическое волокно, (не считая fast ethernet) является FDDI. FDDI (fiber distributed data interface, ISO 9314-1, rfc-1512, -1390, -1329, -1285) стандарт американского института стандартов (ansi), принятый без изменения ISO. Протокол рассчитан на физическую скорость передачи информации 100 Мбит/с и предназначен для сетей с суммарной длиной до 100 км (40 км для мультимодовых волокон) при расстоянии между узлами 2 км или более. Частота ошибок в сети не превышает 10-9. В FDDI используется схема двойного кольцевого счетчика (рис. 13; буквами a,b,c,d и e обозначены станции-концентраторы). Кольцевая схема единственно возможное решение для оптического волокна (не считая схемы точка-точка). Для доступа к сети используется специальный маркер (развитие протокола IEEE 802.5 - Token Ring). Сети FDDI не имеют себе равных при построении опорных магистралей (backbone) локальных сетей, позволяя реализовать принципиально новые возможности – удаленную обработку изображений и интерактивную графику. Обычно устройства (DAS - dual attached station) подключаются к обоим кольцам одновременно. Пакеты по этим кольцам движутся в противоположных направлениях. В норме только одно кольцо активно (первичное), но при возникновении сбоя (отказ в одном из узлов) активизируется и второе кольцо, что заметно повышает надежность системы, позволяя обойти неисправный участок (схема соединений внутри станций-концентраторов на рис. 13 является сильно упрощенной). Предусмотрена возможность подключения станций и только к одному кольцу (SAS - single attached station), что заметно дешевле. К одному кольцу можно подключить до 500 das и 1000 sas. Сервер и клиент имеют разные типы интерфейсов.

Рис. 13. Схема связей в двойном кольце FDDI

Топология связей в FDDI устроена таким образом, что отказ в любом из узлов из-за выхода из строя оборудования или отключения питания не приведет к разрыву кольца, поток кадров автоматически пойдет в обход поврежденного участка.

FDDI позволяет работать  с кадрами размером 4500 октетов, за вычетом места, занимаемого преамбулой, остается 4470 октетов для передачи данных. RFC-1188 резервирует 256 октетов для заголовков, оставляя для данных 4096 октетов. Маршрутизатор, поддерживающий протокол FDDI должен быть способен принимать такие длинные пакеты. Посылаться же должны дейтограммы не длиннее 576 октетов, если не ясно, сможет ли адресат принимать длинные кадры.

Услуги информационного канала (data link service) реализуются через протокол IEEE 802.2 logical link control (LLC). В результате мы имеем следующий стек протоколов (рис. 14):

IP/ARP

802.2 llc

FDDI MAC

FDDI PHY

FDDI PMD

Рис. 14. Схема протокольных подуровней для FDDI

Уровень MAC (media access control) определяет доступ к сетевой среде, включая формат кадров, адресацию, алгоритм вычисления crc и механизм исправления ошибок. Уровень PHY (physical layer protocol) задает процедуру кодирования/декодирования, синхронизацию, формирование кадров и пр. В качестве базовой используется кодировка 4b/5b (преобразование 4-битного кода в 5-битный), а в канале - NRZI. Уровень PMD (physical layer medium) определяет характеристики транспортной среды, включая оптические каналы, уровни питания, регламентирует частоту ошибок, задает требования к оптическим компонентам и разъемам. Блок схема интерфейса между уровнями MAC и PHY показана на рис. 15.

 

Рис. 15. Схема физического интерфейса FDDI

IP-дейтограммы, ARP-запросы  и отклики, пересылаемые по сети FDDI, должны инкапсулироваться в пакеты 802.2 LLC и SNAP (subnetwork access protocol; см. рис. 16 и 17), а на физическом уровне в FDDI MAC. Протокол snap должен использоваться с организационными кодами, указывающими, что SNAP-заголовок содержит код Ethertype. 24-битовый организационный код (organization code) в snap должен быть равен нулю, а остальные 16 бит должны соответствовать Ethertype.

Все кадры должны пересылаться в соответствии со стандартом 802.2 LLC тип 1 (формат ненумерованной информации, с полями DSAP (destination service access point) и SSAP (source service access point) заголовка 802.2, равными предписанным значениям SAP (service access point) для SNAP.

 

Рис. 16. Структура некоторых полей заголовков пакетов

Полная длина LLC- и SNAP-заголовков составляет 8 октетов. Десятичное значение k1 равно 170, k2 равно 0.Управляющий код равен 3 (ненумерованная информация).

Для преобразования 16- или 48-разрядного FDDI-адреса в 32-разрядный IP-адрес используется протокол ARP. Операционный код равен 1 для запроса и 2 для отклика. Спецификация FDDI MAC определяет максимальный размер кадра равным 4500 октетам, включая 16-октетную преамбулу. Преамбула состоит из кодов 11111, стартовый разделитель имеет вид 1100010001, а оконечный разделитель - 0110101101 (во всех случаях применена 5-битовая нотация). Контрольная сумма CRC вычисляется для полей, начиная с поля управление по данные включительно.

 

Рис. 17. Формат пакета протокола FDDI

Вычитая 8 байт LLC/SNAP заголовка, получаем значения максимального размера пакета (MTU) 4470 (4478) октетов. Для совместимости размер пакетов для IP-дейтограмм и ARP-пакетов согласуется с требованиями конкретной сети. FDDI реализует маркерный доступ, формат пакета-маркера имеет вид, показанный на рис. 18. В зависимости от размера кольца в нем могут циркулировать несколько маркеров.