Detection - CSMA/CD ). Все компьютеры сети имеют доступ к общей шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер , используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1 .

Рис. 6.1.

Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть соединены вместе, используя физическую шину или звездную топологию, но логическая топология - всегда шинная. Под этим мы подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только одна станция одновременно может использовать ее. Также подразумевается, что все станции получают кадр , посланный станцией (широковещательная передача). Адресованный пункт назначения сохраняет кадр , в то время как остальные отбрасывают ее. Каким образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту проблему согласно следующим принципам:

1. Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ).
2. Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его, сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных, станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
3. Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае возникает конфликт, называемый коллизией.

Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после того, как передача началась. Если есть конфликт , то все станции его обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные времена предотвращают одновременную повторную посылку данных. Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу кадра ( рис. 6.2), которая предваряется преамбулой (preamble) , состоящей из 7 байт вида 10101010, и байта начала кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) вида 10101011. Эти комбинации нужны приемнику для вхождения в побитовый и кадровый синхронизм с передатчиком. Кадр заканчивается полем последовательности контроля кадра ( FCS - Frame Check Sequence ) длиной 4 байта (на рис. 6.2 не показано). Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает свой собственный адрес (МАС- адрес назначения) в начале кадра и записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого кадра определяется адрес источника (МАС- адрес источника), которому следует выслать кадр -ответ. Получатель пакета на 3-м уровне определяется в соответствии с полем Тип протокола (Protocol Type) : значение 0х0800 - адрес модуля IP , 0806 - адрес модуля ARP . Минимальное и максимальное значения длины поля для протоколов верхних уровней - 46 и 1500 байт соответственно. Порядок передачи бит кадра: слева направо / снизу вверх ( рис. 6.2), цифрами обозначены длины полей кадра в байтах.

Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный захват среды одним и тем же узлом.

Рис. 6.2.

Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним узлом называется коллизией . Механизм разрешения коллизии состоит в следующем ( рис. 6.3):

Рис. 6.3.

Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam -комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD : минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.

Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, - это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние ( домен конфликта). Другими словами, мы имеем:

Минимальная длина кадра/Скорости передачи пропорциональна Домен конфликта/Скорость Распространения

В традиционной Локальной сети Ethernet , минимальная длина кадра - 520 битов, скорость передачи - 10 Mбит/с, скорость распространения - почти равна скорости света, и домен конфликта - около 2500 метров.

Рис. 6.5.

• Преамбула . Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.
• Ограничитель начала кадра (SFD - Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита - 11 (две единцы) - сигнал, что следующее поле - адрес получателя.
• Адрес получателя (DA - Destination Address) . Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.
• Исходный адрес (SA -

В сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов. 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.

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.

Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

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

кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 10.3.

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (рис. 10.3; 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.

Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт.

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

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

Поле данных (Data) 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.

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.

Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.

Рисунок 10.3. Форматы кадров Ethernet

Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 10.3. Из рисунка 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.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (см. рис. 10.3), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина(L) кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX 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.

Кадр Ethernet 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. 10.3) 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 Туре 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 технологий 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).

Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Напомним, что практически каждой сетевой технологии (независимо от ее уровня) соответствует единица передачи данных: Ethernet-кадр, АТМ-ячейка, IP-дейтаграмма и т. д. Данные по сети в чистом виде не передаются. Как правило, к единице данных «пристраивается» заголовок. В некоторых сетевых технологиях добавляется также окончание. Заголовок и окончание несут служебную информацию и состоят из определенных полей.

Так как существует несколько типов кадров, для того, чтобы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадров. Кадры могут быть четырех разных форматов, несколько отличающихся друг от друга. Базовых форматов кадров (raw formats) существует всего два - Ethernet II и Ethernet 802.3. Эти форматы отличаются назначением всего одного поля.

Для успешной доставки информации получателю каждый кадр должен кроме данных содержать дополнительную служебную информацию: длину поля данных, физические адреса отправителя и получателя, тип сетевого протокола и т. д.

Большинство сетевых администраторов не уделяет должного внимания типам кадров Ethernet, а это может явиться источником проблем. Например, если клиентское сетевое программное обеспечение настроено на неверный тип кадра, то пользователь не сможет взаимодействовать с сервером. За типом кадра приходится особенно внимательно следить в сетях Novell NetWare, так как в новых версиях этой операционной системы тип кадра по умолчанию был изменен с 802.3 на 802.2. Кроме того, в корпоративных сетях применяются устройства от нескольких поставщиков, базирующихся на разных протоколах взаимодействия и использующих различные типы кадров.

Для того чтобы рабочие станции имели возможность взаимодействовать с сервером в одном сегменте сети, они должны поддерживать единый формат кадра. Существуют четыре основных разновидности кадров Ethernet:

Ethernet Type II

q Ethernet 802.2

Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol).

Рассмотрим поля, общие для всех четырех типов кадров (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Общий формат кадров Ethernet

Поля в кадре имеют следующие значения:

Поля «Преамбула» и «Признак начала кадра» предназначены для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет при вычислении длины кадра.

Поле «Адрес получателя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеровEthernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяются непосредственно самим производителем. Например, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное значение. Если он равен 0, то это адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 - широковещательный. Обычно в широковещательном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).

Поле «Адрес отправителя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю.

Поле «Длина/тип» может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип - то содержимое поля указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP - 0800.

Поле «Данные» содержит данные кадра. Чаще всего - это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированной длины.

Поле «Контрольная сумма» содержит результат вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

Следует отметить, что минимальная допустимая длина для всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная - 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

Рассмотрим более подробно форматы кадров разных типов. Тип кадра Ethernet II используется многими протоколами верхнего уровня, такими как TCP/IP, IPX и AppleTalk. Данный тип кадра был разработан фирмамиDEC, Intel и Xerox. Необходимо учитывать, что хотя данный тип кадра является наиболее широко используемым, он не одобрен организациями IEEE и ISO. Формат данного типа кадра отличается от рассмотренного выше только тем, что в поле «Длина/тип» всегда указывается тип протокола.

Сетевые операционные системы Novell NetWare 2.х и З.х (за исключением 3.12) по умолчанию используют кадрыEthernet 802.3. Хотя в названии этого типа кадра есть упоминание комитета IEEE, последний не имел никакого отношения к его разработке.

Данный тип кадра не содержит никакой информации о протоколе. Поле «Длина/тип» всегда указывает длину кадра. В результате нет стандартных методов идентификации сетевого протокола, которому принадлежит данный кадр. Однако в соответствии с концепцией фирмы Novell, только протокол IPX может использоваться с данным типом кадров. Разработана специальная последовательность действий для определения того, что именно протоколIPX был инкапсулирован в кадр данного типа.

Проверяется поле «Длина/тип». Если оно содержит значение между 0 и 1518 (05ЕЕ), то данное поле определяет длину кадра, а не тип протокола (то есть это кадр 802.3, в противном случае - кадр Ethernet II).

Проверяются следующие два байта за полем «Длина/тип». Если они содержат FFFF, это означает, что кадр принадлежит протоколу IPX, так как заголовок этого протокола всегда начинается с FFFF.

В результате стандартизации сетей Ethernet подкомитетом IEEE 802.3 появился кадр Ethernet 802.2. Этот кадр является базовым для операционных систем Novell Netware версий 3.12 и 4-х. В данном типе кадра сразу за адресом отправителя следует поле длины, имеющее такое же назначение. Кроме того, этот тип кадра содержит несколько дополнительных полей, рекомендованных подкомитетом IEEE 802.3 Эти поля располагаются за полем «Длина/тип» и имеют следующее назначение:

Поле «DSAP» указывает на используемый получателем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит в нем зарезервирован). Для протокола IPX значение поля равно Е0, для протоколов IP - 06, дляNetBIOS – F0.

Поле «SSAP» указывает на используемый отправителем протокол сетевого уровня. Размер данного поля составляет 1 байт (один бит зарезервирован). Обычно значение данного поля совпадает со значением поля DSAP.

Поле «Контроль» указывает на тип сервиса, требуемый для сетевого протокола. Размер данного поля составляет 1 байт. Сетевая операционная система Novell NetWare устанавливает значение данного поля в 03.

Формат кадра Ethernet 802.2 имеет некоторые недостатки, в частности он содержит нечетное число байтов служебной информации. Это не совсем удобно для работы большинства сетевых устройств. Кроме того, для идентификации протокола сетевого уровня отводится 7 бит, что позволяет поддерживать «всего» 128 различных протоколов. Кадр Ethernet SNAP, являющийся дальнейшим развитием Ethernet 802.2, содержит следующие дополнительные поля (рис. 1.6):

Поле «Код организации» имеет длину три байта и указывает на код организации (фирмы), которая присвоила значения поля «Идентификатор протокола». Если значение поля равно 000000 (а это так практически всегда, за исключением сетей AplleTalk), то поле «Идентификатор протокола» содержит значение, которое обычно помещается в поле «Длина/ тип», то есть идентификатор протокола верхнего уровня.

Поле «Идентификатор протокола» имеет длину два байта и идентифицирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный в поле «Данные» кадра. При использовании протокола IPX это поле содержит значение 8137.

В большинстве локальных и глобальных сетей есть ограничение на максимальный размер кадра. Эту величину называют максимальной единицей передачи (MTU- maximum Transmission Unit).

В совокупности эти два поля составляют дополнительное пятибайтовое поле для идентификации протокола. Это было сделано для увеличения числа поддерживаемых протоколов.

Рис.3.2 Формат кадра Ethernet SNAP

Нужно отметить, что сетевой протокол IPX может использовать любой из рассмотренных выше четырех типов кадров, чего нельзя сказать об остальных сетевых протоколах. В таблице 3.1. приводятся протоколы, которые могут быть использованы с тем или иным типом кадра.

Таблица 3.1.

Совместимость кадров Ethernet с протоколами верхних уровней

Дальнейшее развитие технологии Ethernet

В настоящее время самой распространенной сетевой технологией является именно Ethernet. По данным IDC, в 1997 году более 80 % всех сетей были построены на базе Ethernet. Все популярные операционные системы и стеки протоколов (TCP/IP, IPX, DECNet и т. д.) поддерживают Ethernet. Причинами такого господства Ethernet в сетевом мире являются высокая надежность, доступность инструментов управления, масштабируемость, гибкость, низкая стоимость и легкость внедрения.

Технология Ethernet достаточно бурно эволюционировала с момента своего зарождения. В табл. 3.2 показана шкала эволюционного развития, представленная в формате nBASE-X (n - номинальная скорость передачи информации в Мбит/с, а Х - среда передачи). В табл. 3.3 также приведена максимально допустимая длина кабеля.

Таблица 3.3.4.

Технологии и соответствующие скорости передачи

Тип	Скорость передачи	Длина
10BASE-5	10 Мбит/с, толстый коаксиал	500м
10BASE-2	10 Мбит/с, тонкий коаксиал	185м
10BASE-T	10 Мбит/с, неэкранированная витая пара	100м
10BASE-FL	10 Мбит/с, оптоволоконный кабель	2км
100BASE-TX	100 Мбит/с, неэкранированная витая пара (2 пары)	100м
100BASE-T4	100 Мбит/с, неэкранированная витая пара (4 пары)	100м
100BASE-FX	100 Мбит/с, оптоволоконный кабель	412 м/2 км
1000BASE-SX*		260м
1000BASE-SX		500м
1000BASE-LX	1000 Мбит/с (1 Гбит/с), многомодовый оптоволоконный кабель (62.5/125 мкм)	400м
1000BASE-LX	1000 Мбит/с (1 Гбит/с), многомодовый оптоволоконный кабель (50/125 мкм)	550м
1000BASE-LX	1000 Мбит/с (1 Гбит/с), одномодовый оптоволоконный кабель (9/126 мкм)	5000м
1000BASE-CX	1000 Мбит/с, экранированный сбалансированный медный кабель	25м

Протяженность кабеля для скоростей 1 Гбит/с приведена из текущего стандарта IEEE 802.3z, находящегося в стадии утверждения.

Изначально технология Ethernet была ограничена тем, что множество пользователей конкурировали за одну полосу пропускания в 10 Мбит/с. Однако со временем были найдены интересные решения, частично снимающие эту проблему. В их основе лежит использование коммутаторов, которые в отличие от традиционных мостов имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между несколькими портами одновременно. Это позволяет эффективно применять коммутаторы и для таких сетей, в которых трафик между сегментами практически не отличался от трафика, циркулирующего в самих сегментах. Технология Ethernet после появления коммутаторов перестала казаться совершенно бесперспективной, так как появилась возможность соединить низкую стоимость устройств Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов. Используя технологию коммутируемого Ethernet, каждое устройство получает выделенный канал между собой и портом коммутатора. Технология коммутации прижилась в сетях очень быстро. Обеспечивая передачу данных со скоростью канала связи между различными сегментами локальной сети (иными словами, между портами коммутатора), коммутация позволяет создавать крупные сети с эффективной системой управления. Кроме того, эта технология стала толчком к созданию концепции виртуальных локальных вычислительных сетей (ВЛВС).

Однако необходимость организации магистрали сети, к которой подключаются отдельные коммутаторы, не отпала. Если множество сегментов сети работают на скорости 10 Мбит/с, то магистраль должна иметь скорость значительно большую.

В начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 часть канала «память-диск» и хорошо согласовывалась с соотношением между объемом локальных и внешних данных, циркулирующих в компьютере. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium Pro и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты Ethernet на 10 Мбит/с стали перегруженными, время реакции серверов и частота возникновения коллизий в таких сегментах значительно возросли, еще более снижая реальную пропускную способность. В ответ на эти требования была разработана технология Fast Ethernet, являющаяся 100-мегабитной версией Ethernet.

Следует отметить, что увеличение скорости в 10 раз приводит к уменьшению максимального расстояния между узлами. Сначала было предложено простое решение задачи построения магистрали - несколько коммутаторовEthernet связывались вместе по витой паре или волоконно-оптическому кабелю - так называемая коллапсированная магистраль. Но возникла проблема, когда потре­бовалось связать коммутаторы, находящиеся на больших расстояниях. Она была решена с помощью организации выделенного, свободного от коллизий оптово­локонного канала связи. В этом случае коммутаторы могли связываться напрямую на расстояния до 2 км. Как видно, технология Fast Ethernet обеспечила достаточно всеобъемлющее решение для построения сетей масштаба одного или нескольких зданий. Одобрение стандарта на технологию Fast Ethernet в 1995 году стало важным событием для сообщества производителей сетевого оборудования, так как появилась гибкая, быстрая и масштабируемая технология передачи данных.

До разработки технологий коммутации и Fast Ethernet среди специалистов по сетевым технологиям господствовало мнение, что технологии ATM и FDDI будут оптимальным решением для организации магистрали сети. Однако в настоящее время технология Fast Ethernet часто конкурирует с упомянутыми технологиями в этой области. Кроме того, активно разрабатывается и внедряется технология Gigabit Ethernet.

Fast Ethernet

Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе следующего года группа производителей объединилась в организацию, названную Альянсом Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance - FEA). Цель этого альянса заключалась в скорейшем одобрении стандарта Fast Ethernet комитетом IEEE. В июне 1995 года все процедуры стандартизации были успешно завершены, и технология Fast Ethernet была стандартизирована в документе 802.3и.

При рассмотрении стандарта много времени уделялось сохранению метода доступа CSMA/CD. Все предложенные решения опирались на этот метод, что вполне естественно, так как он позволяет сохранить преемственность с сетями l0Base-T и l00Base-T. CSMA/CD определяет способ передачи данных по сети от одного узла к другому через кабельную систему. В модели OSI протокол CSMA/CD является частью уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ получения доступа сетевого устройства к сети для передачи данных. Компании HP и AT&T предложили совершенно отличный от CSMA/CD метод доступа, который был назван Demand Priority. Однако он был поддержан гораздо меньшим числом сетевых производителей. Для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Стандарт Fast Ethernet определяет три модификации для работы с разными видами кабелей: 100BaseTX, 100BaseT4 и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны на витую пару, а 100BaseFX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100BaseTX требует применения двух пар неэкранированных или экранированных витых пар. Одна пара служит для передачи, другая - для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: на неэкраниро­ванную витую пару категории 5 и экранированную витую пару типа 1 от IBM.

Стандарт 100BaseT4 имеет менее ограничительные требования к кабелю, так как в нем задействуются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна пара для передачи, другая для приема, а оставшиеся две пары работают как на передачу, так и на прием. В результате в стандарте 100BaseT4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Для реализации сетей 100BaseT4 подойдут кабели с неэкранированной витой парой категорий 3-5 и экранированный типа 1.

Технология Fast Ethernet включает в себя также стандарт для работы с многомодовым оптоволоконным кабелем. Этот стандарт (100BaseFX) ориентирован, в основном, на применение в магистрали сети или для организации связи удаленных объектов.

Преемственность технологий Fast Ethernet и Ethernet позволяет легко выработать рекомендации по применению:Fast Ethernet целесообразно применять в тех организациях, которые широко использовали классический Ethernet, но сегодня испытывают потребность в увеличении пропускной способности. При этом сохраняется весь накопленный опыт работы с Ethernet и, частично, сетевая инфраструктура.

Хотя Fast Ethernet и является развитием стандарта Ethernet, переход к 100BaseT требует некоторого изменения в топологии сети. Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет 250 м. Это ограничение определено самой природой метода доступа CSMA/CD и скоростью передачи в 100 Мбит/с.

Для классического Ethernet время прослушивания сети определяется макси­мальным расстоянием, которое 512-битный кадр может пройти по сети за время, равное времени обработки этого кадра на рабочей станции. Для сетиEthernet это расстояние равно 2500 м. В сети Fast Ethernet этот же самый 512-битный кадр за время, необходимое на его обработку рабочей станцией, пройдет всего 250 м. Если принимающая станция будет удалена от передающей на расстояние свыше 250 м, то кадр может вступить в конфликт с другим кадром на линии, а передающая станция, завершив передачу, уже опоздала бы с реакцией на этот конфликт. Поэтому максимальный диаметр сети 100BaseT составляет 250 м.

Для увеличения допустимой дистанции необходимо использовать два повто­рителя для соединения всех узлов. В соответствии со стандартом Fast Ethernet расстояние между концентратором и рабочей станцией не должно превышать 100 м. Для установки Fast Ethernet потребуются сетевые адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100BaseT и, возможно, некоторое количество коммутаторов 100BaseT. К моменту появления стандарта Fast Ethernet в построении локальных сетей масштаба здания сложился следующий подход - магистраль крупной сети строилась на технологии FDDI (высокоскоростной и отказоустойчивой, но весьма дорогой), а сети рабочих групп и отделов использовали Ethernet или Token Ring.

Основная область использования Fast Ethernet сегодня - это сети рабочих групп и отделов. Целесообразно совершать переход к Fast Ethernet постепенно, оставляя Ethernet там, где он хорошо справляется с поставленными задачами. Одним из очевидных случаев, когда Ethernet не следует заменять технологией Fast Ethernet, является подключение к сети старых персональных компьютеров с шиной ISA.

Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.

Формат кадра Ethernet

На рис. 7-2 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:
— Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.
— Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011. указывает, что далее последуют, информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.
— Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).
— Адрес отправителя (SA, source address): б байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.
— Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats -сырые форматы) -EthernetII и IEEE 802.3 (рис. 7.2), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра EthernetII в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, и 0х8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.
— Для кадра IEEE 802,3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля — поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.
— Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:
— Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) — первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;
— EthernetSNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) — первый байт LLC Data равен 0хАА;
— Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) — первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0хАА (10101010).

Дополнительное поле (pad — наполнитель) — заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта — преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.

Рис. 7.2. Два базовых MAC формата кадра Ethernet

Основные варианты алгоритмов случайного доступа к среде

Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство-мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй главный, недостаток — это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому-коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.

Дадим определение: множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain). Из-за коллизии (конфликта) могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытаются одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20-25), и при большом диаметре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.

Проблема построения протокола, способного наиболее рационально разрешать коллизии, и оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три основных подхода в качестве кандидатов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 7.3): непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.

Рис. 7.3. Алгоритмы множественного случайного доступа (CSMA) и выдержка времени в конфликтной ситуации (collision backoff)

Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае — среда занята -переходит к шагу 2.
2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.

Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.

1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;
2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.

Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более «эгоистично». Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.

Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:
1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1-р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;
3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.

И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть пр. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы пр должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 — р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р=0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.

.
Сегодня постараемся разобраться в Ethernet кадре .

В сетевых технологиях, различают такие понятия как фрейм (frame ) и пакет packet . Новички сетевых технологий, часто делают ошибки в использовании этих терминов и считают что эти термины являются синонимами, но это не так.

Давайте определимся, что же называют фреймами, а что называют пакетами.

Фреймами называют некоторое число байт, которые содержат в себе заголовк Layer 2 OSI и концевик, вместе с инкапсулированными данными (в инкапсулированных данных обычно содержатся так же другие заголовки, других уровней).

Пакетами в свою очередь часто описывают Layer 3 заголовок вместе с данными. (так же инкапсулированы могут быть заголовки вышестоящих уровней), но уже без заголовка Layer 2 и концевика (trailer).

Используя знания, полученные в предыдущих статьях, мы знаем, что hub это устройство первого уровня (то есть устройство не знает ни о какой информации, оно не знает о Layer 2 заголовках, и тем более уж о Layer 3).
Но, в то же время, обычно это Layer 2 устройство (то есть оно понимает заголовок Layer 2 Header) и исходя из этого может делать некоторые действия (например брать MAC адрес получателя, искать к какому порту этот MAC-адрес привязан и отправлять фрейм только туда и никуда больше). Так же существуют и Layer 3 коммутаторы.

Итак, спецификация .

Давайте поговорим о ней. Какие они были, какие они сейчас.

Первым основателем Ethernet спецификации стала такая компания как DIX , на самом деле это группа компаний: Digital Equipment Corp, Intel , Xerox.
В начале 1980х годов, IEEE стандартизировала технологию Ethernet. Эта технология разделялась на две части:

1. 802.3 Media Access Control (MAC)
2. 802.2 Logical Link Control (LLC)

Существует несколько версий Ethernet фрейма, давайте рассмотрим их.

Теперь разберем поля поподробнее.

1. Preamble — преамбула, существует во всех версиях Ethernet кадра. Но есть некоторые отличия.Эти отличия есть между DIX версией и остальными. В DIX версии, это поле занимало 8 байт.
   Вообще, что такое преамбула вообще? Это некая совокупность 0 и 1, которая используется для синхронизации. То есть говорит ресиверу, что будет принят ethernet кадр.

   В DIX преамбула была 8 байт, семь первых байтов содержало последовательность 10101010 и так семь раз (7 байт), последний 8-ой байт выглядел так: 10101011.
   В 802.3 преамбула стала 7 байт, которые так содержало последовательность 10101010 (7 раз, 7 байт) и было добавлено еще одно поле, которое назвали SD (Start of Frame Delimiter), что означает: начало ethernet кадра.
   Собственно тоже самое что и в DIX реализации, только выделено дополнительное поле. Вместо одного как в DIX’е.

2. Destination address — адрес получателя. MAC адрес. — 6 байт.
3. Source address — адрес отправителя. MAC адрес. — 6 байт.
4. Length — длина фрейма. Это поле указывает на размер фрейма целиком, для того, чтоб получатель мог «предсказать» окончание пакета. Размер поля 2 байта.
5. Data — непосредственно сами данные, их размер может варьироваться от 46 до 1500 байт.
6. FCS — проверка целостности фрейма.Эти поля относятся к первой части 802.3 Ethernet — MAC.
   Так же присутствует как мы помним и вторая часть LLC, давайте рассмотрим ее поля.
7. DSAP — Destination Service Access Point. 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы получателя, которая указывает на то, в каком месте системы получателя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
8. SSAP — Source Service Access Point — так же 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы отправителя, которая указывает на то, в каком месте системы отправителя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
9. Control — Управление. Размер поля 1-2 байта. Это поле указывает на тип сервиса, который необходим для данных. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле может быть как 1 так и 2 байта.
10. Заголовок SNAP — занимает 5 байт. Состоит из двух полей — OUI и TYPE. При приеме данных, приемник должен знать, какой из сетевых протоколов должен получить входящие данные (например, IP). Для этого и предназначено набор этих полей SNAP — Sub Network Access Protocol (протокол доступа к подсетям).
11. OUI — Код организации, 3 байта. Идентификатор организации или производителя. Совпадает с первыми 3-мя байтами MAC адреса отправителя.
12. TYPE — Локальный код. Поле длиной 2 байта. Функцианально это тоже самое что и Ethertype в заголовке Ethernet II.

Как же может устройство определить, какой тип ethernet кадра принимается?

Ведь существует DIX формат (Ethernet II), 802.3 и 802_3 с SNAP ?

Все очень просто. Давайте рассмотрим алгоритм определения.

1. Устройство получает фрейм. Смотрит на поле Lenght/Type (помним, оно занимает 2 байта). Если значение больше чем 1518 байт (размер всего фрейма с заголовками), то это уже не Ethernet II , а 802.3 или 802.3 SNAP, потому как только в Ethernet II указывается размер в указанном поле.
2. Допустим Lenght/Type у нас больше 1518 (0x5FE).
   Здесь нам нужно определить, какой фрейм 802.3 или 802.3 SNAP. Это делается на основе заголовка LLC (802.2), таких как DSAP,SSAP и SNAP. Заметим, что SNAP это расширение заголовков DSAP и SSAP (Сервисов стало настолько много, что в 1 байте не удавалось закодировать тот или иной сервис и пришлось создавать еще одну реализацию, которая называется 802.3 SNAP).
   SSAP и DSAP обычно принимают одно и тоже значение. Поле Control принимает обычно значение 0x03, что означает, что нет необходимости устанавливать соединение на канальном уровне (Layer 2).

И все же, как определить какой формат Ethernet передается, 802.3 или 802.3 SNAP?

Если передается кадр с SNAP, то значение первого и второго байта данных (по сути это наши SSAP и DSAP) равны 0xAA, а третьего (по сути нашего Control) равняется 0x03.

Вот такой алгоритм работает при том, как определить какой формат кадра передается на приемник.

По формату кадров пока все.

Сейчас немного поговорим о адресации на канальном уровне, так же называемой Mac — адресацией.

На канальном уровне, адресация проходит по MAC адресам (помните, когда рассматривали ethernet кадр, первые поля были Destination Address и Source Address, которые занимали 6 байт). Эти адреса имеют 48 битный формат и записываются в 16-ом виде.

Тут стоит отметить тот факт, что, существуют юникастовые рассылки (грубо говоря точка-точка), а существуют множественные рассылки (от одного к нескольким). Это определяется по первому биту MAC адреса, если этот бит равен 1, то это значит что осуществляется множественная рассылка (например широковещательная рассылка, такой адрес имеет все единицы), если первый бит равен «0», юникастовая рассылка.

Mac адрес состоит как бы из двух частей. Первые три байта прикреплены к той или иной компании, которая производит сетевые устройства, тоесть например устройства имеет определнные 3 байта одинаковые (некоторые компании имеют не один такой адрес, а целый пул адресов), а вторые 3 байта, это непосредственно уникальный адрес сетевого устройства.

Статья получилась не маленькой. Материал может показаться запутанным. Думаю что в целом все понятно. Если что, поправляйте в комментариях, буду редактировать.