Время двойного оборота сигнала и распознавание коллизий

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым ус­ловием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться соот­ношение T_min ³ PDV, где T_min - время передачи кадра минимальной длины, a PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это вре­мя называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра, а с другой стороны, от длины кабельной системы и скорости распространения сигнала в кабеле, которая приблизительно равна скорости света, но для разных типов кабелей может незначительно отличаться.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра со­ставляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой — 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

При скорости передачи 10 Мбит/с время передачи кадра минимальной длины рав­но 576 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 576/10⁷=57,6 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время равно примерно 17280 м (при скорости света 3*10⁸ м/c). Учиты­вая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 8640 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигна­ла. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная дли­на непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала).

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сиг­налов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реа­лизациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети, называемую так же диаметром сети, 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительно­сти временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сде­лан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возмож­ным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распозна­вание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

С увеличением скорости передачи максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально уве­личению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet для скорости 100 Мбит/с оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet для скорости 1000 Мбит/с оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разра­ботчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

2.3.2Форматы кадров технологии Ethernet

Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандар­там IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кад­ра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней.

Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей разви­тия технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стан­дартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся. Соответственно, под форматом кадра далее будем понимать весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней.

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet. Так как один и тот же тип кадра часто может иметь разные названия, то для каждого из них приведены наиболее часто используемые названия. Форматы всех типов кадров приведены на рисунке 2.3.1.

Рис. 2.3.1 Форматы кадров технологии Ethernet.

Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2)

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков MAC и LLC, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2. Этот тип кадра определяет восемь полей заголовка (поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке 2.4 не показаны):

Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.

Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) имеет длину 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), а если 1, то это групповой адрес (multicast). Индивидуальные адреса являются физическими адресами компьютеров, и прошиты в ПЗУ сетевого адаптера. Они являются уникальными, то есть в мире не существует двух сетевых адаптеров с одинаковыми физическими адресами. Уникальность адресов обеспечивается централизованно комитетом IEEE, который распределяет значения трех старших байт адреса между различными производителями оборудования. Групповой адрес может предназначаться всем узлам сети или же определенной группе узлов сети. Если адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление FFFFFFFFFFFF, то он предназначается всем узлам сети и называется широковещательным адре­сом (broadcast). В остальных случаях групповой адрес связан только с теми узлами, которые сконфигурированы (например, вручную) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе.

Адрес источника (Source Address, SA) – это 6-байтовое поле, содержащее физический адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0, то есть адрес источника всегда является индивидуальным.

Длина (Length, L) - 2-х байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.

Заголовок LLC имеет длину 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2). Формат заголовка LLC был рассмотрен ранее (рис. 2.3), отличие состоит в том, что здесь отсутствуют флаги начала и конца кадра LLC.

Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт (с учетом заголовка LLC 1497 или 1496 байт). Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле — поле заполнения, — чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.

Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспе­чивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, PCS) состоит из 4 байт, содер­жащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значе­нием поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

КадрRaw 802.3 (Novell 802.3)

Из рисунка 2.4 видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необхо­димости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, — там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным про­токолом сетевого уровня в ОС NetWare.

Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня по­явилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

Кадр Ethernet DIX (Ethernet II)

Этот тип кадра имеет структуру, совпадающую с предыдущим, однако 2-байтовое поле длиныкадра используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Туре (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC — для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Однако один и тот же сетевой протокол будет иметь разные коды для полей SAP и EtherType. Например, протокол IP имеет код 2048 (0x0800) для поля EtherType и код 6 для поля SAP. Исторически значения кодов для поля EtherType появились раньше значений SAP.

КадрEthernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP — SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рис 2.4) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре. Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назна­чению поле EtherТуре кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет иден­тификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кад­рах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологии 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор ор­ганизации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код 0хАА, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использо­ванию ненумерованных кадров.

Распознавание и использование различных типов кадровEthernet

Автоматическое распознавание типов кадров Ethernet выполняется достаточно не­сложно. Для кодирования типа протокола в поле EtherType указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению поля L/T. Дальнейшее распознавание типа кадра проводится по наличию или отсутствию полей LLC. Поля LLC могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины идет начало пакета IPX, а именно 2-байтовое поле контрольной суммы па­кета, которое всегда заполняется единицами, что дает значение в 255 байт. Ситуация, когда поля DSAP и SSAP одновременно содержат такие значения, возникнуть не может, поэтому наличие двух байт 255 говорит о том, что это кадр Raw 802.3. В остальных случаях производится анализ значений полей DSAP и SSAP. Если они равны 0хАА, то это кадр Ethernet SNAP, если нет, то кадр 802.3/LLC.

Использование того или иного типа кадра зависит от решения разработчика протокола сетевого уровня. Например, протокол IP использует кадры Ethernet DIX и Ethernet SNAP.

Тема 2.4Спецификации физической среды Ethernet

Для стандарта Ethernet 10 Мбит/с существует четыре спецификации физического уровня, использующие различные типы передающей среды: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F. Число 10 в вышеуказанных названиях обозначает скорость передачи 10 Мбит/с, слово Base – метод передачи с использованием одной несущей частоты, последний символ - тип используемого кабеля.

2.4.110Base-5

Считается классическим Ethernet. Используется «толстый» коаксиальный кабель RG-8 с диаметром центрального провода 2 мм и внешним диаметром 10 мм. Волновое сопротивление кабеля 50 Ом. Один сегмент (отрезок) кабеля может иметь максимальную длину 500 м (см. рис. 2.4.1) и должен иметь на концах согласующие сопротивления 50 Ом (terminator), препятствующие распространению в кабеле отраженных волн. Согласующее сопротивление включается между центральным и внешним проводниками кабеля. С одной стороны

Станция подключается к кабелю при помощи специального приемопередатчика – трансивера (рис. 2.4.2). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле, при этом электрическое соединение с кабелем обеспечивается через отверстия в изоляции (физическая целостность отрезка кабеля не нарушается). Трансивер соединяется с сетевым адаптером компьютера интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4-х витых пар. К одному сегменту кабеля допускается подсоединение не более 100 трансиверов. Минимальное расстояние между трансиверами – 2,5 м. Помимо приема и передачи данных между кабелем и сетевым адаптером в функции трансивера входит обнаружение коллизий и защита передающей среды от некорректной работы сетевого адаптера.

Рис. 2.4.1 Сеть стандарта 10Base-5

Рис. 2.4.2 Трансивер стандарта 10Base-5(vampire tap)

Стандарт 10Base-5 допускает использование специальных устройств – повторителей (repeater) – для соединения в одну сеть разных сегментов кабеля (рис. 2.4.3). Повторитель выполняет функции регенерации электрических сигналов, передаваемых по кабелю, и вносит дополнительную задержку распространения сигнала. Стандарт допускает использование 4-х повторителей и 5-и последовательно соединенных сегментов кабеля, при этом общая длина (диаметр) сети может достигать 2500 метров.

Рис. 2.4.3 Соединение сегментов 10Base-5при помощи повторителей

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая механическая прочность кабеля;

- большой максимальный диаметр сети (2500 м).

К недостаткам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая стоимость кабеля и трансиверов;

- сложность монтажа кабеля из-за его жесткости и необходимость использования специального инструмента для монтажа трансиверов;

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или выходе из строя одного трансивера отказывает вся сеть).

2.4.2Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 (рис. 2.4.4) использует в качестве среды передачи «тонкий» коаксиальный кабель марки RG-58 с диаметром центрального провода 0,89 мм и внешним диаметром 5 мм. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент дол­жен иметь на концах согласующие сопротивления (terminator) 50 Ом (рис. 2.4.5). Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля, либо на один из отводов устанавливается согласующее сопротивление (рис. 2.4.6). Одно из согласующих сопротивлений должно быть заземлено. Максималь­ное количество станций, подключаемых к одному сегменту - 30. Минимальное расстояние между станциями - 1м.

Рис. 2.4.4 Сеть стандарта 10Base-2

Рис. 2.4.5 Согласующее сопротивление (терминатор) с отводом для заземления

Рис. 2.4.6 Т-коннектор с подключенным кабелем и терминатором

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование 4-х повторителей и 5-и сегментов кабеля. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5*185 - 925 м.

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

К достоинствам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая стоимость;

- простота монтажа сети;

К недостаткам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или некорректной работе одного сетевого адаптера отказывает вся сеть).

2.4.3Стандарт 10Base-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары - Unshielded Twisted Pair, UTP (рис. 2.4.9) категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, вели­чину перекрестных наводок и некоторые другие параметры его качества).

Компьютеры соединяются по топологии «точка-точка» со специальным уст­ройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар (см. рис. 2.4.7). Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). По­вторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Рис. 2.4.7 Сеть стандарта 10Base-T

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор (рис. 2.4.8) осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных. Кроме того, повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx-выходы.

Рис. 2.4.8 Концентраторы стандарта 10Base-T

Несмотря на то, что отрезки кабеля в стандарте 10Base-T по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет концентратору контролировать их состояние и отключать в том случае если порт работает некорректно. Автоматическое отключение порта (автосегментация порта - autopartitioning) производится в случае обрыва или короткого замыкания кабеля, а так же в том случае, если сетевой адаптер формирует кадры недопустимого формата или является источником постоянных коллизий.

Максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

Рис. 2.4.9 Кабель UTP «неэкранированная витая пара» и разъем RJ-45

Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 2.4.10). Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом передатчик и приемник одного порта соединяются соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Между любыми двумя станциями сети может находиться максимум 4 последовательно соединенных концентратора. При построении сетей очень часто используют иерархическое двухуровневое соединение концентраторов (см. рис. 2.8). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5*100 - 500 м.

Для удобства соединения концентраторов между собой каждый концентратор обычно имеет один порт, называемый MDI-X или UpLink. Этот порт имеет кроссированную разводку (в нем поменяны местами пары Rx и Tx). Это позволяет использовать для соединения концентраторов стандартные отрезки соединительного кабеля с некроссированными парами проводов, которые используются для подключения компьютеров к концентратору. При этом порт UpLink концентратора, нижележащего в иерархии, подключается к одному из обычных портов концентратора, являющегося корневым.

Рис. 2.4.10 Иерархическое соединение концентраторов

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с ко­аксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрез­ки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логи­чески эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в том случае если порт работает некорректно. Автоматическое отключение порта производится в случае обрыва или короткого замыкания кабеля, а так же в том случае, если сетевой адаптер формирует кадры недопустимого формата или является источником постоянных коллизий. Благодаря этим преимуществам стандарт 10Base-T получил наибольшее распространение среди десятимегабитных стандартов Ethernet.

2.4.4Дополнительные функции концентраторов Ethernet

Помимо своей основной функции – повторения сигналов на всех портах – концентратор может выполнять и некоторые дополнительные. Современные концентраторы часто являются дорогими многофункциональными устройствами, и относятся к активному сетевому оборудованию. Обычно концентратор может иметь от 4 до 72 портов. Ниже описаны часто встречающиеся дополнительные функции концентраторов.

Отключение портов

Очень полезной при эксплуатации сети является способность концентратора от­ключать некорректно работающие порты, изолируя тем самым остальную часть сети от возникших в узле проблем. Эту функцию называют автосегментацией (autopartitioning). Несмотря на присутствие практически во всех моделях концентраторов Ethernet, функция автосегментации является дополнительной, так как стандарт ее не описывает. Основной причиной отключения порта в стандартах Ethernet и Fast Ethernet является отсутствие ответа на последовательность импульсов link test, посылаемых во все порты каждые 16 мс. В этом случае неисправ­ный порт переводится в состояние «отключен», но импульсы link test будут про­должать посылаться в порт с тем, чтобы при восстановлении устройства работа с ним была продолжена автоматически.