Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Раздел 4 Уровень передачи данных (Канальный уровень) Тема 16. Общие принципы и характеристики стандартов Base Ethernet.
Общие принципы LAN Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня: логической передачи данных (Logical Link Control, LLC); управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных.
Общие принципы LAN Уровень MAC обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий уровень - LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В настоящее время существует несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.
Параметры уровня MAC Ethernet/ ПараметрыЗначения Битовая скорость10 Мбит/с Интервал отсрочки512 битовых интервала Межкадровый, или межпакетный, интервал (IPG)9,6 мкс Максимальное число попыток передачи16 Максимальное число возрастания диапазона паузы 10 Длина jam-последовательности32 бит Максимальная длина кадра (без преамбулы)1518 байт Минимальная длина кадра (без преамбулы)64 байт (512 бит) Длина преамбулы64 бит Минимальная длина случайной паузы после коллизии 0 битовых интервалов Максимальная длина случайной паузы после коллизии 524 ООО битовых интервала Максимальное расстояние между станциями сети2500 м Максимальное число станций в сети1024
Общие принципы LAN Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.
Спецификации физической среды Ethernet Первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации стандарта Ethernet различных сред передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мбит/с. 10Base-5 коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента 500 метров (без повторителей).
Уровни Стандарта 10Base-X Подуровень доступа к среде, MAC Подуровень физического присоединения, PMA- (Physical Medium Attachment) Подуровень LLC AUIAUI Независимый от среды интерфейс AUI Физическая среда. Разъём MDI – (Medium Dependent Interface)
Физическая среда Ethernet PMA- (Physical Medium Attachment), подуровень подсоединения к физической среде. Преобразует данные в битовый поток последовательных электрических сигналов, и обратно. Кроме того, обеспечивает синхронизацию приема/передачи. Основное назначение подуровня PMA - доступ к среде. В Ethernet используется CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Физическая среда делится между всеми устройствами, но одновременно передавать сообщение может только одно из них.
Физическая среда Ethernet PMA- выполняет следующие функции: Определяет свободен канал – физическая среда- или нет, т.е. определяет наличие несущей; Что бы одно устройство не смогло монопольно использовать канал - после передачи каждого кадра делаются перерывы в передаче, которые называются межкадровыми интервалами (Inter Packet Gap, IPG) - 9,6 мкс. Корректная обработка «коллизий», т.е. событий одновременной попытки передачи кадра несколькими узлами. Сюда входит определение «коллизий», усиление коллизии jam – сигналом и переход в состоянии пауза.
Физические спецификации технологии Ethernet на сегодня включают следующие среды передачи данных 10Base-2 коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента 185 метров (без повторителей). 10Base-T кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом не более 100 м. 10Base-F волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м). Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандартов 10 Мбит/с, а слово «Base» метод передачи на одной базовой частоте 10. Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.
Метод CSMA/CD Метод доступа к среде передачи - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD. CS (carrier sense) - постоянная проверка среды передачи (idle, busy). MA (multiple access) - если среда свободна, любая станция может начать передачу. CD (collision detect) - обнаружение коллизий. CSMA/CD работает только при включении полудуплексного режима. репитеры А В
Метод CSMA/CD При обнаружении коллизии станция выдает в среду передачи специальный сигнал, называемый jam-последовательностью, облегчающий обнаружение коллизии другими станциями. Обычно jam-последовательность выдается с нарушением схемы физического кодирования. После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр.
Метод CSMA/CD Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 96 тактов (9.6 мкс для скорости 10 Мбит/сек); эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
NETS and OSs Алгоритм CSMA/CD (передача) 1. Подготовка кадра к передаче 2. Число попыток = 0 Среда передачи занята? 1. Ожидание: 96 тактов (IFG) 2. Начало передачи Коллизия произошла? Завершение передачи 1. Выдача jam-сигнала 2. Число попыток ++ Число попыток >16? 1. Вычисление экспоненциаль- ной задержки 2. Ожидание Передача не прошла, число попыток превышено нет да k:=Min(attempts,10) r:=Random(0,2 k ) delay:=r*Slot_time {Slot_time~t 512 бит } IFG (InterFrame Gap)=96
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Алгоритм CSMA/CD (прием) Сигнал обнаружен? Получение SFD, подстройка синхронизации, прием кадра, расчет контрольной суммы. В случае коллизии - jam- последовательность, возврат. FCS верное? Кадр сбрасывается Передача данных кадра на обработку протоколам высшего уровня нет да Совпадает адрес назначения с собственным или широковещательным адресом? да нет
Стандарт 10Base-5 Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля максимальной длины в 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. Трансивер часть сетевого адаптера; устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.
Рис Структурная схема сетевого адаптера стандарта 10Base-5 ("толстый" Ethernet )
Стандарт 10Base-5 Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface интерфейс подключаемых устройств) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, обозначающая точки подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.
10Base -5(2) Рис Структурная схема трансивера 10Base -5(2)
Стандарт 10Base-5 Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1,5 В), значит, на кабель работает более одного передатчика. Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают гальваническую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем самым защищают адаптер и компьютер от значительных перепадов напряжения, возникающих на кабеле при его повреждении.
Стандарт 10Base-5 Передатчик и приемник присоединяются к одной точке кабеля с помощью специальной трансформаторной схемы, позволяющей организовать одновременную передачу и прием сигналов с кабеля. При неисправностях в адаптере может возникнуть ситуация, когда в кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. На выходе трансивера ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается, то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время затянувшейся передачи устанавливается равным 4000 мкс (4 мс)
Стандарт 10Base-5 Повторитель - -принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также несколько уменьшается межкадровый интервал (IPG)
Рис Компоненты физического уровня сети стандарта 10 Base-5, состоящей из трех сегментов Стандарт 10Base-5 MDI
Стандарт 10Base-5 Правило Для стандарта Ethernet действует правило 5-4-3: - не более 5 сегментов кабеля в сети; - использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, - только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы -компьютеры. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят.
Стандарт 10Base-2 В качестве передающей среды используется «тонкий» коаксиал Ethernet-0,2 дюйма. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м. Сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, но помехозащищенностью, хуже механическая прочность ниже и более узкая полоса пропускания, чем у «толстого». Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других с двумя концами разрыва кабеля.
Рис. 4.16_5. Сеть стандарта 10Base-2
Стандарт 10Base-2 Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, 30, а число нагруженных сегментов = 3, общее количество узлов в сети 10Base- 2 не должно превышать 29 х 3 = 87. Минимальное расстояние между станциями 1м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м. Максимальная длина с учетом не нагруженных двух сегментов составит: 5 х 185 = 925 м. Трансиверы 10Base-2 объединены с сетевыми адаптерами за счет большей гибкости тонкого кабель, который подводится непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Что затрудняет физическое перемещение компьютеров.
Стандарт 10Base-Т Стандарт принят в 1991 году, как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet, и имеет обозначение IEEE 802.3L Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок NEXT и некоторые другие параметры его качества) телефонные компании уже достаточно давно использовали для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель носит также название Voice Grade, говорящее о том, что он предназначен для передачи голоса.
Стандарт 10Base-Т …две неэкранированные витые пары.. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар по двухточечной топологии со специальным устройством много портовым повторителем- концентратором (Hub). 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). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных логический моноканал (логическая общая шина)
Рис 4.16_6. Сеть стандарта 10Base-T.
Стандарт 10Base-Т Концентратор (Hub) обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим R х -входам и посылает jam-последовательность на все свои Т х - выходам. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода.
В стандарте 10Base-T определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, не более 4. Это правило носит название правило 4-х хабов. Правило 4-х хабов подобно правилу 5-4-3, применяемому к коаксиальным сетям, служит для гарантированной синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий. При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис ). Стандарт 10Base-Т
Рис 4.16_7. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet. В стандарте 10Base-T определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название правило 4-х хабов
В сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентратами (так называемое петлевидное соединение концентраторов) для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в Стандарт 10Base-Т
Рис Схема с максимальным количеством станций
Максимальное количество станций 1024 для данного типа физического уровня количество действительно достижимо. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов 32 по 32 порта с общим количеством портов 1024 (рис ). Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора. Стандарт 10Base-Т
Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то, учитывая, что максимальная длина кабеля между повторителями равна 100 м, получаем, что максимальный диаметр сети 10Base-Т составляет 5 х 100 = 500 м. (Рис ). И хотя логически получается общая разделяемая среда, физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме. Стандарт 10Base-Т
В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности и основана на передаче каждые 16 мс специальных сигналов J и К манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие узлы, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Стандарт 10Base-Т
В качестве среды передачи данных 10-мегабитная сеть Ethernet использует оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания МГц при длине кабеля 1 км. Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна одно соединяет выход Т х адаптера с входом R x повторителя, а другое вход R x адаптера с выходом Т х повторителя. Волоконно-оптическая сеть Ethernet
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link волоконно-оптический канал между повторителями) представляет собой первый стандарт комитета для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети 4. Как и в стандарте 10Base-5, максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, однако отрезки кабеля предельного размера между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы иначе получится сеть длиной 5000 м. Волоконно-оптическая сеть Ethernet
Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, и стандартная максимальная длина сети 2500 м достижима. Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Волоконно-оптическая сеть Ethernet
Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи в целях синхронизации постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных. Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче данных из одного сегмента в другой, и поэтому количество повторителей увеличилось до 5. В качестве специальных сигналов используются манчестерские коды J и К в следующей последовательности: J-J-K-K-J-J-... Эта последовательность порождает импульсы частоты 2,5 МГц, которые и поддерживают синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Стандарт 10Base-FB имеет также название синхронный стандарт Ethernet. Волоконно-оптическая сеть Ethernet
ХарактеристикаЗначение Номинальная пропускная способность 10 Мбит/с Максимальное число станций в сети 1024 Максимальное расстояние между узлами в сети 2500 м (в 10Base-FB 2750 м) Максимальное число коаксиальных сегментов в сети 5 Таблица Общие ограничения для всех стандартов Ethernet
Параметр10Base-510Base-210Base-T10Base-F КабельТолстый коак сиальный кабель RG-8 или RG-11 Тонкий коак сиальны й кабель RG-58 Неэкраниро- ванная витая пара категорий 3, 4, 5 Многомодо -вый волоконно- оптический кабель Максимальная длина сегмента, м Максимальное расстояние между узлами сети (при использовании повторителей), м (2740 для 10Base- FB) Максимальное число станций в сегменте Максимальное число повторите лей между любыми станциями сети 4444 (5 для 10 Base-FB) Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet Таблица ,
Домен коллизий Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду передачи, и следовательно, каждый узел которой может создавать коллизию с любым узлом этой сети.
Домен коллизий Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Приведенная на рис и сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов. Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, но не передаст его на свои остальные порты. Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла.