Технология Ethernet

Уровень MAC

На этом уровне выполняются 2 функции:

1. Доступ к разделяемой среде.

2. Передача кадров между узлами сети.

Доступ ка разделяемой среде выполняется разными методами:

1. метод случайного доступа: каждый узел начинает передачу кадра по мере необходимости. При одновременной передаче кадра 2-мя узлами происходит коллизия – смешение сигналов.После чего каждый из 2 узлов ждет случайное время, а затем снова начинают передачу. Образование коллизии приводит к неработоспособности сети. Все узлы и концентраторы распознают коллизии и в это время не выполняют передачу. Это основной недостаток метода случайного доступа. Он очень прост, но не работает для большого числа станций. При этом время ожидания доступа к среде никогда не известно (оно случайно)

2. Метод детерминированного доступа делится на 2 разновидности: передача токена и алгоритм опроса. Эти методы всегда могут гарантировать определенную задержку передачи.
1. Передача токена: узел имеет право на передачу только после получения специального служебного кадра, который называется токеном. При получении токена узел начинает передачу кадра, а затем токен передается следующему по очереди узлу. токен последоваьтельно передается по очереди всем узлам, образуя кольцо передачи. Таким образом, каждый компьютер в кольце имеет определенное время своей передачи (оно зависит от количества узлов в кольце).
2. Алгоритм опроса: в сети есть центральный узел, играющий роль арбитра. Он периодически опрашивает узлы и собирает заявки на передачу. После этого арбитр решает, какому узлу разрешить передачу первому и свое решение передает этому узлу. После передачи пакета этим узлом, арбитр повторят сбор заявок.
Другой вариант алгоритма опроса заключается в том, что свое желание передавать пакеты каждый узел отправляет всем другим узлам сети. И каждый узел сети на основании полученной информации по заданному критерию определяет свою очередность передачи.

Для небольших сетей лучше использовать методы случайного доступа как более дешевые и эффективные. Однако методы детерминированного доступа хороши для сетей с большой загрузкой т.к. в них нет коллизий и они также позволяют обеспечить качество обслуживания абонентов сети (QoS) т.е. каждому абоненту предоставить заданную гарантировнанную пропускную способность.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод случайного доступа CSMA/CD.

CSMA/CD (carrier-sense-multiply-access with collision detection,) -метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS).

Если среда свободна (нет несущей частоты), то узел имеет право начать передачу кадра. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.

Обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.

В сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов):

· кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II) - Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта (в которой был описан формат этого кадра);

· кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2)- комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet

· кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3) - появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet.

· кадр Ethernet SNAP - стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с 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.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 1.

Рис. 1. Форматы кадров Ethernet

Поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке 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.

DA (Destination Address,) Адрес назначения может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Может быть индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), a если 1, то это групповой адрес (multicast).

· SA (Source Address,) Адрес источника - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

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

· Data Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, - чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.

· FCS (Frame Check Sequence) Поле контрольной суммы состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. 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.

· Т (Тype 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.

Таблица 1. Типы кадров Ethernet, поддерживающие реализации популярных протоколов сетевого уровня.

Дата добавления: 2014-12-07