Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Основні технології локальних мереж
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Основні технології локальних мереж
Мережі типу Ethernet.
Загальні відомості.
Ethernet був започаткований у 1970 році (Dr. Robert M. Metcalfe) в дослідницькому центрі фірми Xerox. Перша система Ethernet працювала із швидкістю 3 Мб/с і була відома під назвою “експериментальний Ethernet”. Формальна специфікація для Ethernet була опублікована в 1980 році консорціумом DIX, утвореним фірмами DEC, Intel і Xerox; ця система вже працювала із швидкістю 10 Мб/с. На початку 80-х років DIX запропонував IEEE стандарт Ethernet, який став моделлю сьогоднішнього стандарту IEEE 802.3. Стандарт IEEE вперше був опублікований в 1985 році під назвою “IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Access Method and Physical Layer Specification”. Стандарт IEEE був сприйнятий Міжнародною організацією стандартизації ISO, яка зробила з неї міжнародний мережевий стандарт. В результаті мережі стандарту Ethernet і IEEE 802.3 подібні, але не ідентичні. Стандарт IEEE подає “Ethernet-подібну” систему, яка базована на оригінальній DIX Ethernet-технології. Щоб бути абсолютно точним, посилання на Ethernet-обладнання робиться так: “технологія IEEE 802/3 CSMA/CD”. Однак у цілому світі це називають оригінальною назвою Ethernet.
Стандарт 802.3 періодично модифікується для введення нових технологій. Після 1985 року до нього були уведені специфікації нових середовищ для 10 Мб/с Ethernet, наприклад, скручені пари провідників, а останньо - специфікації для 100 Мб/с Fast Ethernet. На сьогодні стандарт IEEE 802.3 описує всі мережі, базовані на Ethernet, із швидкостями 10, 100 і 1000 Мб/с. Це означає, що вони придатні до простого з'єднання одна з одною, бо належать до однієї спільноти. Для сполучення двох різних мереж Ethernet 10 Мб/с між ними достатньо ввімкнути повторювач з відповідними інтерфейсами; те ж саме справедливе для двох мереж 100 Мб/с із різними стандартами. Однак для з'єднання мереж 10 Мб/с і 100Мб/с потрібний міст. Відмінності між різними стандартами для 10 Мб/с зосереджені на Рівні 1 еталонної моделі OSI, тоді як різниці між мережами 10 Мб/с і 100 Мб/с локалізовані на підрівні MAC Рівня 2 цієї моделі.
Відношення між рівнями еталонної моделі OSI та мережами Ethernet проілюстровані в таблиці.
Рівень 1 OSI. Інтерфейс і PHY.
PHY - це абревіатура для трансівера. Трансівер може бути окремим пристроєм або бути інтегрованим у мережеву карту або у материнську плату ПК. На цьому рівні виявляються реальні різниці між різними стандартами. Кожен з них має власний документ, яким описується відповідний стандарт:
Ethernet 10 Мб/с - IEEE 802.3a-t;
Ethernet 100 Мб/с - IEEE 802.3u;
Ethernet 1000 Мб/с - IEEE 802.3z.
Рівень 2 OSI.
MAC: IEEE 802.3 CSMA/CD.
Ціле сімейство мереж Ethernet основане на протоколі CSMA/CD.
Синхронізація, впроваджена для передавання та примання, відрізняється для мереж із різними швидкостями, як це показане в табл. 4.1.
Таблиця 4.1. Тривалість біта та часової щілини між пакетами для різних стандартів Ethernet.
LLC. SNAP (SubNetwork Attachment Point - точка під'єднання підмережі). Для SNAP і IEEE 802.2 див. п.п. 4.1.3.2.
Елементи системи Ethernet.
Систему Ethernet складають три основні елементи:
фізичне середовище, яке застосоване для переносу сигналів Ethernet між комп’ютерами;
рамка (пакет) Ethernet, яка складається із стандартизованої системи бітів, використаної для переносу даних через систему;
правила доступу до середовища, вбудованs в кожний інтерфейс Ethernet, що дозволяє багатьом комп’ютерам коректно здобувати доступ до спільних каналів Ethernet.
Локальні мережі Ethernet використовують широкомовну мережеву топологію, тобто сигнал, який передається довільною станцією, досягає до всіх інших станцій в мережі. Будь-який комп’ютер в мережі Ethernet, відомий під назвою станція, оперує незалежно від усіх інших станцій в мережі: центральне управління відсутнє. Всі станції в Ethernet під’єднані до спільної сигнальної системи, яка називається середовище. Хоч усі локальні мережі в основній смузі частот передають у півдуплексному режимі, одночасно вести передачу може тільки одна робоча станція. Сигнали Ethernet передаються послідовно, біт за бітом через спільне сигнальне середовище до під’єднаної до нього робочої станції. Щоб вислати дані, станція спочатку прослухує канал, і коли канал простоює, станція висилає свої дані, упаковані у вигляді рамки або пакету Ethernet. Рамки Ethernet і стандарту IEEE 802.3 незначно відрізняються між собою.
Після передавання кожної рамки, всі станції в мережі мусять змагатися за нагоду передати наступну рамку. Цим досягається коректність доступу до мережевого зв'язкового каналу, так що жодна станція не може блокувати інші станції. Доступ до спільного каналі визначений механізмом управління доступом до середовища (Medium Access Control - MAC), вбудованим в інтерфейс Ethernet, розміщений у кожній станції. Механізм управління доступом до середовища оснований на системі, яка називається множинний доступ з розпізнаванням носія і виявленням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD).
Кожна станція в мережі має унікальну адресу і повідомлення може бути адресоване таким чином:
Адресація конкретній станції: повідомлення адресується тільки одній станції в мережі.
Багатоадресна адресація: повідомлення адресується групі станцій через пов'язання їх унікальних адрес з логічним ім’ям (наприклад, файлові сервери, прінт-сервери).
Широкомовна адресація: повідомлення адресується всім станціям.
Адреси і рамки Ethernet.
Основою системи Ethernet є пакет або рамка Ethernet, яка застосовується для передавання даних між комп’ютерами. Рамка складається із системи бітів, організованих в окремі поля. Загальний вигляд типової рамки Ethernet показаний на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Загальний вигляд рамки Ethernet.
Адресація.
Перші два поля в рамці переносять 48-бітові (6-октетні) адреси, які називають адресою призначення та адресою джерела. IEEE керує призначенням цих адрес шляхом адміністрування порцією адресного поля. IEEE досягає цього, забезпечуючи 24-бітовий (4-октетний) ідентифікатор, який називають організаційно-унікальними ідентифікаторами (Organizationally Unique Identifiers - OUI), оскільки унікальний 24-бітовий ідентифікатор приписаний кожній організації, яка хоче випускати інтерфейс Ethernet. Організація, в свою чергу, створює 48-бітову адресу з використанням приписаного OUI як перших 24 бітів адреси. Наприклад, адреси всіх карт фірми 3Com починаються трьома байтами 02 60 8C (в шістнадцятковому форматі). Ця 48-бітова адреса відома як фізична адреса, адреса обладнання або MAC-адреса.
Унікальна 48-бітова адреса звичайно надається кожній карті мережевого інтерфейсу Ethernet при його виготовленні, що значно спрощує встановлення мережі та оперування в ній. Надані адреси дозволяють уникнути можливих ускладнень в адмініструванні адресами для різних груп, які використовують мережу.
Коли деякий пакет Ethernet висланий у спільний сигнальний канал, всі інтерфейси Ethernet перш за все розглядають 48-бітове поле, яке містить адресу призначення. Інтерфейси порівнюють адресу призначення пакету із своєю власною адресою. Інтерфейс Ethernet із тією ж адресою, що й адреса призначення в пакеті, може читати отриманий пакет і передати її мережевому програмному забезпеченню цього комп’ютера. Всі інші мережеві інтерфейси припиняють читання пакету, коли встановлюють, що адреса призначення не відповідає їх власній адресі.
Багатоадресність дозволяє групі станцій прийняти окремий пакет Ethernet. Мережеве програмне забезпечення може встановити інтерфейс Ethernet станцій для прослуховування багатьох визначених адрес. Це можливо зробити для системи станцій, приписаних до багатоадресної групи, для якої дана особлива адреса. Окремий пакет, висланий за адресою, приписаною групі, може бути прийнятий всіма станціями в групі.
Особливий випадок багатоадресності відомий як широкомовна адреса, якою є 48-бітова адреса із усіма бітами, рівними одиниці (тобто адреса рівна FF FF FF FF у шістнадцятковій формі запису). Всі інтерфейси Ethernet, які бачать пакет з цією адресою призначення, можуть читати пакет і передати його мережевому програмному забезпеченню комп’ютера.
Структури рамок Ethernet.
Відомі чотири основні види рамок Ethernet: рамка в стандарті Ethernet II (DIX), у стандарті 802.2, у стандарті 802.3 та у стандарті Ethernet-SNAP (SubNetwork Access Point). Хоч відмінності між рамками в різних стандартах незначні, ці види в загальному випадку несумісні між собою і вимагають спеціального настроювання, яке може здійснюватися адміністратором мережі або автоматично.
Рис. 4.2. Рамка в стандарті Ethernet II.
Рамка в стандарті Ethernet II. Стандарт Ethernet II є попередником стандарту 802.3. Цей тип рамки, опрацьований DIX, забезпечує той самий метод доступу CSMA/CD, що й 802.3 (рис.4.2). Щоб дозволити всім станціям у мережі зсинхронізувати свої тактові генератори трансіверів для забезпечення передавальній станції можливості виявлення сигналів інших станцій, застосовується 7-октетна преамбула і 1-байтовий початковий обмежувач рамки (рис. 4.3). 7-байтова преамбула і 1-байтовий початковий обмежувач гарантують, що станція, що передає, може виявити інше передавання (або сигнал глушіння, який сигналізує про колізію) незалежно від того, як далеко в сегменті розташована інша станція, що створила колізію. Преамбулу/початковий обмежувач звичайно розглядають як частину апаратно-програмного забезпечення передавання даних через кабельну систему, а не як частину власне рамки.
Рис. 4.3 . Преамбула/початковий обмежувач рамки.
Безпосередньо за преамбулою та початковим обмежувачем розташовані 6-октетні поля адрес станції-призначення і станції-джерела та 2-октетне поле типу рамки. Разом ці три поля утворюють заголовок рамки Ethernet II. При передаванні кожного байта адресного поля біти передаються справа наліво, тобто першим передається наймолодший (перший справа) біт. Для адреси призначення перший біт, що передається (I/G), вказує, чи адреса відноситься до конкретної станції, чи є багатоадресною. Якщо перший байт адреси призначення непарний, то то рамка призначена групі станцій, а не одній унікальній фізичній адресі. Спеціальним випадком багатоадресності є широкомовна адреса, для якої всі біти адресного поля встановлені в "1". Як вказано вище, для індивідуальної адреси перші три байти ідентифікують виробника мережевої карти, а останні три - конкретну мережеву карту. Адреса призначення ідентифікує безпосереднього приймача в мережі, а не обов'язково остаточного приймача. Структура поля адреси призначення має такий вигляд:
Перший біт (I/G - individual/group) може приймати такі значення: 0 - одноадресна рамка, 1 - багато- або загальноадресна (широкомовна) рамка. Решта бітів першого байта та решта байтів цього поля (S) вказують адресу групи вузлів (перші три байти) і локальну адресу в групі (другі три байти). Для загальноадресних пакетів усі біти рівні 1. Адреса джерела ідентифікує вузол, який передав пакет. Найстарший біт першого байта (I/G) завжди рівний 0.
Поле Тип рамки ідентифікує протокол вищого рівня, застосований для створення пакету, інкапсульованого в рамку Ethernet II. Це можуть бути протоколи TCP/IP, XNS, AppleTalk тощо. Приклади можливих значень поля Тип рамки (в шістнадцятковому форматі) наведені в таблиці 4.2.
Таблиця 4.2. Коди протоколів вищого рівня.
Наступне поле містить дані, поміщені в рамку. Це поле може мати довжину до 1500 октетів і включає як заголовок, так і дані протоколу більш високого рівня. Повна довжина рамки Ethernet II лежить в межах від 64 до 1518 октетів. Проте це не означає, що найменша можлива довжина даних становить 64 байти; якщо дані коротші, то вводиться поле Доповнення, заповнене, наприклад, символами проміжку, які додаються для доведення довжини поля даних до 64 октетів.
Останнім полем є Контрольна послідовність рамки (Frame Check Sequence - FCS) - лишок циклічної контрольної суми (Cyclic Redundancy Checksum - CRC) для виявлення помилок при передаванні. Значення лишку циклічної контрольної суми обчислюється для всьго вмісту рамки (без преамбули/початкового обмежувача) з використанням алгоритму CRC-32. Станція, яка прийняла рамку, здіснює власне обчислення лишку циклічної контрольної суми за тим самим алгоритмом і порівнює отримане значення із вмістом вказаного поля. Якщо результати відрізняються, то пакет вважається помилковим і відкидається.
Рамка в стандарті 802.3. Існує два варіанти рамок в стандарті 802.3: формат 802.3 і "сирий" формат 802.3 (802.3 Raw Format). Відмінність між ними полягає в тому, що специфікація IEEE 802.3 визначає фізичний формат рамок CSMA/CD, додаючи до початку поля даних заголовок LLC згідно із стандартом 802.2, використовуючи для цього 3 октети на початку поля даних:
DSAP - це точка доступу до послуг призначення (Destination Service Access Point); поле має такий вигляд (I/G=0 для індивідуальної адреси, I/G=1 для групової адреси і D - біти значення адреси DSAP):
SSAP - це точка доступу до послуг джерела (Source Service Access Point), поле має такий вигляд (C/R означає команду в полі управління, а C/R=1 - відклик на неї; S - біти адреси SSAP):
Деякі найбільш поширені значення SAP (Service Access Point), визначені IEEE:
Поле управління визначає вид послуг від Мережевого рівня (Рівень 3):
режим передавання без встановлення сполучення і без підтвердження (connectionless mode), визначений як операція типу 1;
режим передаванням із встановленням сполучення (connection mode), визначений як операція типу 2.
Початкові відомості про ці режими наведені в п.п. 1.3.2. Операція типу 1 кодується в полі управління як 03, що означає нечисловий формат в стандарті 802.2.
Найновіший тип протоколу - SNAP (SubNetwork Attachment Point ~ точка під'єднання до підмережі) доповнює заголовок LLC 5-байтовим полем ідентифікації протоколу. Для буль-якої рамки 802.3 LLC+SNAP поля DSAP і SSAP дорівнюють AA і в полі управління встановлене значення 03:
OUI (Organization Unique Identifier) ідентифікує організацію, а поле TYPE визначає тип протоколу, який помістив інформацію в поле даних (див. табл. 4.2). Для даного прикладу це протокол IP (код рівний 0800).
"Сирий" формат рамки 802.3 застосовується лише в мережах Novell NetWare. Замість заголовка LLC NetWare додає власну інформацію про протокол вищого рівня. Перші два байти поля даних містять інформацію заголовка протоколу IPX і завжди рівні FF FF. Ці два байти уможливлюють розпізнання того, що рамка "сирого" 802.3 містить інкапсульовану інформацію від протоколу IPX. Слід відзначити, що IEEE не рекомендує формат "сирого" 802.3, використаного Novell; він рекомендує тільки рамки 802.3, які містять заголовки 802.2 і 802.2 SNAP.
Основна різниця між рамками в стандартах Ethernet II і 802.3 полягає у використанні двобайтового поля після адреси джерела (див. рис. 4.2 і 4.4). Якщо Ethernet II визначає це поле як Тип рамки, то 802.3 використовує його як поле Довжина даних. Хоч видається, що це робить рамки Ethernet II та 802.3 несумісними в рамках одної кабельної системи, насправді це не так. Сумісність можлива внаслідок того, що для рамок 802.3 існує обмеження довжини рамки до 1518 байтів (октетів), а всі рамки типу Ethernet II мають значення цього поля, більші від 1518 (у десятковому форматі) або 05 FE (у шістнадцятковому форматі). Отже, якщо рамка має значення 05 FE або менше у 13-му та 14-му байтах, то вона розглядається як рамка 802.3.
Друга різниця між рамками Ethernet II і 802.3 видна в полях адреси призначення і адреси джерела. Тоді як Ethernet II використовує один біт для індикації багатоадресності, 802.3 застосовує для цього два біти. Структура поля адреси призначення в стандарті 802.3 має такий вигляд:
Перший біт (I/G - individual/group) приймає такі значення: 0 - одноадресна рамка, 1 - багато- або широкомовна рамка. Другий біт -це ознака U/L (universal/local) унівесальної (0) або локальної (1) адреси. Решта байтів цього поля (S) вказують адресу групи вузлів (перші три байти) і локальну адресу в групі (другі три байти). Другий біт рідко застосовується в мережах Ethernet. Його використання в основному пов'язане з операціями мостів при об'єднанні мереж з різними методами доступу (наприклад, Ethernet і Token Ring).
Рис. 4.4. Рамка в стандарті IEEE 802.3.
Протокол CSMA/CD.
Загальні відомості.
Протоколи, в яких станції прослухують носій (тобто розпізнають наявність передавання) і діють відповідно до його присутності або відсутності, називають протоколами з розпізнаванням носія. Це означає, що принципово можна розрізнити сигнали для логічних "1", "0" і відсутність сигналів у каналі зв'язку. В термінології Ethernet, будь-який інтерфейс мусить очікувати до моменту, коли в каналі немає сигналу, і тільки тоді починати передавання. Якщо в цей час передає інший інтерфейс, то в каналі буде наявний сигнал, який називають носієм. Всі інші інтерфейси мусять чекати, доки наявність носія припиниться, перш ніж пробувати передавати, і цей процес називають розпізнаванням носія.
Всі інтерфейси Ethernet рівні у своїй можливості вислати пакет у мережу, тобто жоден не має вищого пріорітету. Це називають множинним доступом.
Оскільки сигнал потребує певного часу, щоб переміститися з одного кінця мережі до іншого, то перший біт переданого пакету не осягає всіх частин мережі одночасно. Отже, можливо, що два інтерфейси, прослуховуючи мережу, встановлюють, що вона простоює і одночасно починають передавання своїх пакетів. Якщо це стається , то система Ethernet має шлях для виявлення колізії, зупинки передавання і повторного передавання пакетів. Це називають виявленням колізії. При виявленні колізії кожна із станцій повинні негайно припинити передавання, перш ніж завершиться висилання їх рамок. Негайне припинення висилання фрагментів рамок зберігає час та ширину смуги.
Протокол CSMA/CD, як і багато інших протоколів LAN, використовує концептуальну модель, зображену на рис. 4.5. У точці, позначеній як t0,, станція завершує передавання рамки. Будь-яка інша станція, яка у цей момент має рамку, готову до передавання, може спробувати це зробити. Якщо дві або більше станції одночасно вирішать передавати, то виникне колізія. Кожна станція виявить колізію, перерве своє передавання, вичекає протягом випадкового інтервалу часу і спробує передавати знову за умови, що в цьому часовому проміжку жодна інша станція вже не почала передавати. Отже, ця модель для CSMA/CD містить періоди змагання за доступ до каналу та передавання, при чому періоди простою з'являються тоді, коли всі станції не передають.
Доступ до середовища та колізії.
Розглянемо детальніше алгоритм змагання за доступ до каналу. Приймемо, що дві станції одночасно розпочинають передавання в момент t0. Для визначення тривалості періоду змагання, величини затримки та пропускної здатності важливо знати, як довго можуть передавати обидві станції перед виявленням колізії. Мінімальний час для виявлення колізії точно рівний часу, який потребує сигнал для поширення від однієї станції до іншої. Приймемо такий сценарій для найгіршого випадку. Нехай час поширення сигналу між двома найвіддаленішими станціями рівний . У момент t0 станція починає передавати. В інтервалі перед тим, як сигнал осягне найбільш віддалену станцію, ця станція продовжує передавання. Як тільки вона виявить колізію, то негайно припиняє передавання, генерує сигнали глушіння, обумовлені колізією, які, однак, не можуть досягнути станцію-джерело раніше, ніж мине час 2. Іншими словами, у найгіршому випадку станція не може довідатися про зайнятість каналу раніше, ніж за час 2. Із цих міркувань можна моделювати часовий інтервал змагання за доступ до каналу шириною часової щілини 2. Для спрощення приймемо, що кожна щілина містить точно один біт. Як тільки канал захоплений, то станція може передавати з будь-якою швидкістю, а не точно один біт за 2 секунд.
EMBED Word.Picture.6
Рис.4.5. CSMA/CD в одному з трьох станів: змагання, передавання, вільний.
Сигнали глушіння - це неспецифіковані дані довжиною 32 біти, які висилає станція, коли виявлена колізія. Однак ці дані не можуть відповідати 4-байтовому слову контрольної суми (CRC) для даних, переданих попередньо. Їх завдання полягає в уникненні припинення передачі безпосередньо після колізії.
Оскільки правильне функціонування механізмі виявлення колізій є умвою правильного функціонування протоколу CSMA/CD, то система Ethernet передбачає використання спеціального тесту “биття серця” або тестової функції SQE (Signal Quality Error) для верифікації операцій кіл виявлення колізій. Цей тест вноситься комбінацією контроллера та MAU після закінчення передавання кожної рамки. Тест викликається також при стані наявності колізії на час 10 мкс. Кінець рамки позначений наявністю сигналу IDL в рядку DO (data out) MAU.
Важливо підкреслити, що виявлення колізій - це аналоговий процес. Обладнання, точніше, мережева карта станції повинна прослуховувати кабель для виявлення передавання. Якщо те, що приймається, відмінне від того, що власне передається, то це означає наявність колізії. Звідси витікає, що кодування сигналу повинне дозволяти виявлення колізії (наприклад, колізія двох сигналів з амплітудою 0 В не може бути виявлена). Із цих міркуваннях в системах з протоколом CSMA/CD для передавання бітів на Фізичному рівні всі застосування стандарту 802.3, включно з Ethernet, вживають манчестерський код. Для передавання використовують електричні імпульси в діапазоні 0.85 В, так що різниця потенціалів становить 1.7 В. Ця різниця потенціалів існує між центральним провідником коаксіального кабеля та його оболонкою (стандарти 10Base5 і 10Base2) або між парою скручених провідників при використанні кабеля типу UTP (стандарт 10BAse-T). Простоюванню мережі відповідає відсутність напруги (0 В).
Невдало, що проектанти Ethernet вжили слово “колізія” до цього аспекту механізму управління доступом до середовища Ethernet. Із сьогоднішньої точки зору цей механізм слід назвати “стохастичним вибором можливості” (stochastic arbitration event - SAE). Термін “колізія” звучить погано, оскільки більшість людей асоціює колізію з ознакою аварії в мережі, у той час як колізії є цілком нормальними ситуаціями в Ethernet і просто означають, що протокол CSMA/CD працює так, як повинен. Чим більше комп’ютерів додано до даної мережі Ethernet, тим більше зростає трафік і тим більше колізій з’являється як нормальна частина операцій в Ethernet.
Довжина рамки в стандарті IEEE 802.3 лежить в межах від 64 октетів до 1518 октетів, рахуючи від адреси призначення до контрольної суми включно. Коли трансівер виявляє колізію, він припиняє передавання, тобто обрізає поточну рамку, а це означає, що фрагменти рамок постійно наявні в кабелі. Щоб простіше відрізнити правильну рамку від пошкодженої, стандарт 802.3 встановлює, що правильна рамка повинна мати довжину щонайменше 64 октети, тобто 512 бітів. Іншою причиною встановлення мінімальної довжини рамки є бажання запобігти ситуації, коли станція завершує передавання рамки, перш ніж її перший біт досягає до віддаленого кінця кабеля, де може виникнути колізія з іншою рамкою.
Час обігу петлі.
Щоб система управління доступу до середовища працювала належним чином, усі інтерфейси Ethernet повинні бути здатні відповідати на інші сигнали всередині певного часового інтервалу. Синхронізація сигналів базована на інтервалі часу, даному для того, щоб сигнал, висланий від одного кінця повної системи сигнального середовища, повернувся назад; цей інтервал відомий як час обігу петлі. Максимальний час обігу петлі для сигналу в спільному каналі Ethernet є строго обмежений, щоб забезпечити будь-який інтерфейс можливістю слухати всі мережеві сигнали всередині визначеного інтервалу часу, передбаченого в системі управління доступом до середовища Ethernet. Чим довший даний сегмент мережі, тим більше часу потрібно, щоб сигнал перемістився через нього.
Передавання сигналу триває певний час, за який сигнал поширюється вздовж кабеля. Якщо затримка поширення занадто велика, то процес передавання може бути закінчений перед тим, як вузол виявить колізію. Для уникнення цього затримка не повинна перевищувати часу, еквівалентного тривалості передавання 512 бітів (тобто 64 октетів). Мінімальна довжина рамки не повинна бути менша від 64 октетів, щоб механізм виявлення колізій діяв правильно.
Максимальна кількість рамок, які можуть бути вислані за секунду, може бути обчислена так. При швидкості 10 Мб/с тривалість передавання рамки довжиною 64 октети (512 бітів) становить 51.2 мкс. Преамбула (8 октетів) передається за 6.4 мкс. До цього слід додати часовий інтервал між рамками, рівний 9.6 мкс. Сума становить 67.2 мкс, тому за секунду можна передати не більше від 14880 рамок. При швидкості 100Мб/с за секунду можна передати 148809 рамок довжиною 64 октети.
Завершення пакету даних (рамки) завжди сигналізується шляхом включення сигналу стану IDL в потік бітів. Він завжди починається з високого рівня і триває протягом часового інтервалу щонайменше 2 бітів. Якщо останні біти були нулями, то в потік бітів включається додатковий перехід через нуль (transition).
Розв'язання колізій.
Система Ethernet спроектована так, що більшість колізій в мережі, яка не перевантажена, розв’язуються за мікросекунди. Звичайно колізія не приводить до втрати даних. У випадку колізії інтерфейс Ethernet очікує відступу кілька мікросекунд і потім автоматично повторює передавання даних. Для мереж, перевантажених трафіком, може трапитися, що колізії наступають багаторазово при спробах передавання даного пакету. Це також нормальний режим. Якщо при спробах здійснити передавання трапляються повторні колізії, то станція розпочинає розвивати систему часових інтервалів затримки, в яких випадково вибирається момент часу для повторного передавання. Повторні колізії для даної спроби передавання пакету вказують на зайнятість мережі. Розподіл процесу затримки, формально відомий як обмежений бінарний експоненціальний відступ, є розумною властивістю MAC Ethernet, який забезпечує для станції автоматичний метод підстроювання характеристик трафіку мережі. Тільки після 16 послідовних колізій для даної спроби передавання пакету інтерфейс може остаточно відкинути пакет Ethernet. Це може статися тільки тоді, коли канал Ethernet перевантажений протягом достатньо довгого періоду часу або розірваний в іншим чином.
Розглянемо тепер, як здійснюється рандомізація в алгоритмі обмеженого бінарного експоненціального відступу. Для цього знову використаємо модель рис. 4.5. Після колізії час ділиться на дискретні інтервали (часові щілини), довжина яких дорівнює найгіршому випадку для часу обігу петлі в кабелі (2). Для пристосування до найдовшого можливого шляху, який дозволяється в кабельній системі стандартом 802.3 (2500 м і чотири повторювачі для мережі 10Base5) тривалість інтервалу (щілини) становить величину, кратну до 512 біт (або 51.2 мкс при швидкості 10 Мб/с).
Графік повторного передавання базується на такій формулі:
EMBED Equation.2 -1,
де I - кількість часових щілин перед повторним передаванням, вибирається випадково;
k=min(n,10), при цьому n - це порядковий номер спроби повторного передавання.
Це означає, що після першої колізії кожна станція вибирає випадково 0 або1 часових інтервалів для очікування, перш ніж розпочати повторну спробу. Після другої колізії (ймовірність якої дорівнює 0.5) випадковий вибір для очікування здійснюється з 0, 1, 2 або 3 інтервалів. В загальному випадку після k-ї колізії вибирається випадкове число I в інтервалі 0..2k-1 і очікується таку кількість часових інтервалів. Однак піся 10 колізій інтервал випадкового вибору обмежується до 1023 щілин. Після 16 колізій контроллер припиняє повторні спроби і видає повідомлення про аварійну ситуацію.
Цей алгоритм вибраний для динамічного пристосування до кількості станцій, які пробують отримати доступ до середовища для передавання. Якщо інтервал випадкового вибору для всіх колізій лежить в межах 0..1023, то шанс повторної колізії двох станцій нехтуюче малий, однак середнє очікування після колізії може становити сотні часових інтервалів, що викликає значну затримку. З другого боку, якщо вибір здійснюється в інтервалі чисел 0..1, то коли 100 станцій пробують отримати доступ, то вони знову і знову вступають в колізії, що може тривати дуже довго. Через експоненціальне зростання інтервалу випадкового вибору щілини при колізіях, які послідовно наступають одна за одною, алгоритм гарантує малий час затримки при малій кількості станцій, що вступають у колізію, і гарантує, що колізії розв'язуються у прийнятний інтервал часу, якщо багато станцій колідують між собою.
Продуктивність мережі з протоколом CSMA/CD.
Оцінимо продуктивність мережі 802.3, яка використовує протокол CSMA/CD. Приймемо високе і постійне навантаження на мережу, коли багато станцій постійно готові до передавання. Аналіз для загального випадку дуже складний, тому приймемо постійну ймовірність повторного передавання для кожної щілини. Якщо кожна станція передає протягом змагання для даної часової щілини з ймовірністю p, то ймовірність A того, що певна станція здобуде доступ до середовища протягом часу тривання даної щілини становить
EMBED Equation.2 .
Максимальна ймовірність наступає при p=1/k. Середнє число щілин на одне змагання (на одну рамку) рівне 1/A, а його тривалість становить w=2/A.
Якщо середня рамка потребує для передавання P секунд, то ефективність каналу можна оцінити за формулою
EMBED Equation.2 .
При довжині рамки F, ширині смуги мережі B, довжині кабеля L, швидкості поширення сигналу v і при оптимальному варіанті e=2.718... часових інтервалів (щілин) на рамку, а також з урахуванням, що P=F/B, отримуємо
EMBED Equation.2 .
Чим більший другий доданок у знаменнику, тим менша ефективність каналу. Конкретніше, збільшення ширини смуги мережі або відстані між станціями (добутку BL) зменшує ефективність при даному розмірі рамки. Однак більшість досліджень в області мережевого устаткування спрямовані власне на збільшення цього добутку, бо користувачі хочуть мати велику ширину смуги на великій відстані (наприклад, в оптоволоконних MAN). Це означає, що мережі 802.3 не є найкращими системами для таких застосувань.
На рис. 4.6 показані результати розрахунку ефективності каналу для смуги 10 Мб/с.
Рис. 4.6. Ефективність каналу в залежності від кількості станцій при різних довжинах рамок.
Чим більша кількість вузлів і чим більша кількість фізичних сегментів, з'єднаних через повторювачі, тим більша ймовірність виникнення колізії. Внаслідок цього продуктивність мереж Ethernet швидко спадає більш ніж на 40% від смуги пропускання 10 Мб/с, тобто на понад 4 Мб/с для мереж з номінальною швидкістю 10 Мб/с і на понад 40 Мб/с для номіналу 100 Мб/с. Максимальна продуктивність в дійсності не перевищує 6 Мб/c або 60 Мб/c відповідно.
Процедура передавання і приймання даних в протоколі CSMA/CD.
Підсумовуючи окремі аспекти застосування протоколу CSMA/CD, опишемо процедуру, визначену специфікаціями стандарту IEEE 802.3 цього протоколу.
Передавання даних. При передаванні даних згідно з протоколом CSMA/CD станції виконують п’ять кроків:
Крок 1: прослухування носія перед передаванням. Станції контролюють наявність у сегменті мережі сигналів, які свідчать про наявність носія; в стандарті 10Base5 це виявляється, зокрема, за рівнями напруг 0.85 В у середовищі (кабельній системі).
Крок 2: затримка (очікування), якщо середовище зайняте. При наявності носія в середовищі необхідна затримка перед повторенням спроби передавання. Час затримки - це часовий інтервал, протягом якогостанція очікує на можливість повторного передавання.
Крок 3: передавання і прослухування колізій. Якщо у середовищі протягом інтервалу часу, рівного тривалості 10 бітів (9.6 мкс для 10 Мб/с) або більше відсутній носій, то станція може почати передавання. Пакет передається через середовище у всіх можливих напрямах. Якщо одночасно ще одна станція передасть пакет у мережу, то виникне колізія. При колізії пакети, які спричинили колізію, перетворяться на фрагменти. Для виявлення колізії кожна станція, яка передає у середовище, водночас прослухує його. Колізія виявляється за специфічними змінами сигналу в середовищі (наприклад, для 10base5 - за рівнем сигналу в середовищі, який за абсолютною величиною перевищує 0.85 В). Для попередження інших станцій про виникнення колізії всі станції, які спричинили колізію, передають в середовище сигнал глушіння - неспецифіковані дані довжиною не менше 32 бітів, які не можуть співпадати з з контрольною сумою (CRC) попереднього пакету.
Крок 4: очікування моменту повторного передавання при виявленні колізії. Для уникнення нової колізії спроби повторного передавання для кожної станції, яка спричинила колізію, повинні бути здійснені після випадково вибраних часових інтервалів очікування. Для цього використовують алгоритми відступу.
Крок 5: повторне передавання або припинення роботи. Спроби повторного передавання станція може здійснювати до 16 разів, після чого припиняє їх.
Приймання даних. При прийманні даних станція повинна виконати чотири кроки:
Крок 1: Перегляд рамок, які прибувають і виявлення фрагментів. Здійснюється кожною станцією у даному сегменті мережі, незалежно від адреси призначення. При перегляді встановлюється, чи рамка має належну довжину (не меншу від 512 бітів або 64 октетів) і чи вона не є фрагментом, утвореним внаслідок колізії.
Крок 2. Перевірка адреси призначення. За умови, що рамка не є фрагментом, станція перевіряє адресу призначення. Якщо пакет адресований до даної станції, є багатоадресним (групова адреса) або широкомовним, то станція переходить до наступного кроку.
Крок 3. Перевірка цілісності рамки, яка прибула до станції-призначення. Перевірка цілісності включає контроль декількох параметрів рамки:
контроль максимальної довжини рамки; ця довжина не може перевищувати 1518 октетів;
правильність контрольної суми; контрольна сума, записана в рамці при передаванні, повинна бути тотожна до суми, обчисленої для прийнятої рамки;
якщо контрольна сума неправильна, то додатково перевіряється вирівняність рамки; правильно сформована рамка повинна містити ціле число октетів і закінчуватися на 8-бітовій межі;
контроль мінімальної довжини рамки; ця довжина не повинна бути меншою від 64 октетів.
Якщо будь-яка з вказаних контрольних операцій дала негативний результат, то рамка вважається некоректною і не підлягає подальшому опрацюванню.
Крок 4. Опрацювання пакету. Коректно сформована і прийнята рамка придатна для подальшого опрацювання даних, поміщених в неї.
Компоненти обладнання мереж Ethernet.
Стандарти і технологія переносяться на специфічні продукти, які менеджери мережі використовують для побудови мережі Ethernet. Нижче обговорюються ключові продукти, необхідні для побудови LAN Ethernet.
На рис.4.7 зображена блок-схема сполучення з мережею Ethernet із швидкістю 10 Мб/с і схематично показані компоненти, визначені стандартом IEEE для здійснення доступу до кабельних систем.
Рис. 4.7. Блок-схема під’єднання DTE до фізичного середовища для Ethernet 10 Мб/с.
Для цих компонентів встановлені трьохлітерні абревіатури (ідентифікатори), які позначають реальні пристрої. Поширене вживання цих стандартних трьохлітерних ідентифікаторів в середовищі фахівців дозволяє їм розуміти технічну документацію виробників мережевого обладнання і технічну літературу з цих питань. До цих ідентифікаторів відносяться:
DTE (Data Terminal Equipment - термінальне обладнання даних);
AUI (Attachment Unit Interface - інтерфейс пристрою під’єднання);
MAU (Media Attachment Unit - пристрій під’єднання до середовища);
MDI (Medium Dependent Interface - інтерфейс, залежний від середовища.
Справа на рис. 4.7 умовно показане фізичне середовище, яким може бути товстий або тонкий коаксіальний кабель, кабель типу “скручена пара” або оптоволоконний кабель, що переносить сигнали Ethernet між комп’ютерами.
Під’єднання до середовища здійснюється через інтерфейс, залежний від середовища (MDI). Це частина обладнання, призначена для безпосереднього фізичного і електричного сполучення з мережевим кабелем. У випадку товстого коаксіального кабеля найбільш поширеним типом MDI є затискач типу “зуб вампіра”, який монтується безпосередньо на кабелі. Для кабеля типу “скручена пара” MDI - це восьмиконтактний з’єднувач типу RJ-45 (телефонного типу), який забезпечує сполучення для чотирьох скручених пар провідників для передавання сигналів Ethernet у кабельну систему.
Наступним пристроєм на блок-схемі є пристрій під'єднання до середовища (Media Attachment Unit ~ MAU). Його називають трансівером (transceiver), оскільки він передає (TRANSmits) і приймає (reCEIVEs) сигнали до і від середовища. MDI звичайно розглядається як частина MAU і забезпечує безпосереднє сполучення MAU із середовищем. Слід відзначити, що MAU та MDI виготовляються окремо для кожного типу середовища, яке вживається в мережах Ethernet. Наприклад, коаксіальний MAU відрізняється від MAU для кабеля “скручена пара”.
Зліва від MAU на блок-схемі зображений інтерфейс пристрою під’єднання (AUI), який ще називають кабелем трансівера. AUI забезпечує шлях для сигналів і електричного живлення від карти мережевого інтерфейсу Ethernet до MAU. AUI під’єднується до мережевої карти за допомогою 15-контактного з’єднувача.
Кінцевий пристрій, який працює в мережі, наприклад, комп’ютер, у стандарті IEEE визначений як термінальне обладнання даних (DTE). Кожен такий пристрій оснащений картою мережевого інтерфейсу, яка здійснює сполучення з середовищем (кабельною системою) Ethernet і містить необхідні електронні компоненти та програмне забезпечення для здійснення управління функціями доступу до середовища для висилання або приймання рамок Ethetnet.
Можливі два способи конфігурування сполучення - із зовнішнім MAU або із внутрішнім MAU, як це позначено на рис. 4.7. При зовнішній конфігурації DTE або порт повторювача оснащені 15-контактним з’єднувачем AUI. Кабель AUI та MAU розміщені поза пристроєм. При внутрішній конфігурації MAU та AUI є частиною електроніки всередині DTE або порта повторювача. При цьому видимою частиною є тільки MDI, який безпосередньо під’єднується до середовища мережі.
У багатьох виробників наявні оптоволоконні MAU, які забезпечують доступ до оптоволоконних кабелів, сумісних із 802.3. Хоч такі системи наявні і вони можуть бути необхідні для використання в областях з високим рівнем електричних шумів, однак це не є стандартні мережі в сенсі 802.3. Звичайно на ці пристрої посилаються під назвою Fibre Optic Tranceiver (FOT). Вони дозволяють впроваджувати Fiber Optic Internet Repeater Links (FOIRL). Опрерації цих пристроїв і їх характеристики схожі до 10Base-T стосовно розділення ліній для передавання і приймання (Tx і Rx), моніторінгу цілісності ліній; статусу світлодіодних індикаторів (LED).
На рис. 4.8 зображена блок-схема під’єднання DTE до фізичного середовища в системі 100 Мб/с Ethernet.
Рис. 4.8. Блок-схема під’єднання DTE до фізичного середовища для Ethernet 100 Мб/с.
Компоненти, зображені на цій блок-схемі, загалом відрізнаються від вживаних в системі 10 Мб/с Ethernet.
Справа на рисунку умовно зображене фізичне середовище, яким можуть бути провіднв кабелі типу "скручена пара" або оптоволоконні кабелі. Під’єднання до нього забезпечується інтерфейсом, залежним від середовища (MDI). Це 8-контактний з’єднувач для кабелів типу “скручена пара” або з’єднувач для оптоволоконних кабелів. Наступним пристроєм на рис. 4.8 є пристрій фізичного рівня (Physical Layer Device - PHY). Цей пристрій у загальному здійснює ті ж функції, що й трансівер в системі 10 Мб/с Ethernet. Він може бути виконаний як інтегральна схема всередині мережевої карти або у вигляді малого блоку, оснащеного кабелем MII, подібно до зовнішнього трансівера на рис. 4.7. Інтерфейс, незалежний від середовища (Medium Independend Interface - MII) є електронною системою, яка забезпезує сполучення між мережевим пристроєм з функціями управління доступом до середовища і пристроєм фізичного рівня (PHY), який висилає сигнали в мережеве середовище. MII може підтримувати операції в обидвох стандартах Ethernet (10 Мб/с і 100 Мб/с), дозволяючи ...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора