Технология Ethernet Технология Token Ring (802.5)

Локальные и глобальные сети

Протоколы модуля сетевого управления. Взаимодействие одноименных модулей в различных вычислительных системах. Понятие термина "TCP/IP" - целое семейство протоколов, прикладные программы и сама сеть. Перечень основных протоколов модуля сетевого управления. Понятие стека протоколов. Услуги сети Internet. Коммутируемый (deal-up) доступ к ресурсам сети через компьютер поставщика - хоста. Организация связи в многоточечном режиме. Коммутация каналов. Коммутация сообщений. Коммутация пакетов. Дейтаграмный режим коммутации пакетов. Режим виртуальных каналов при коммутации пакетов.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно две или более станции решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети. Система ДУВЗ ( Диалоговый удаленный ввод-вывод заданий) является сложным комплексом программ, обеспечивающим пользователям в режиме диалога терминалов с ЭВМ подготовку для нее заданий и дистанционное получение решений.

В соответствии со спецификациями Ethernet станция должна узнавать о возникновении конфликта до завершения передачи пакета. Поскольку длина минимального пакета с преамбулой составляет 576 бит, на обнаружение конфликта в любом случае должно затрачиваться меньшее время.

 Промежуток времени между окончанием одного пакета и началом следующего, равный 9,6 мкс (IPG - inter packet gap), позволяет ясно различать отдельные пакеты. При передаче пакетов через повторители этот промежуток может уменьшаться. Повторитель восстанавливает синхронизацию сигналов (retiming) для устранения искажений при передаче через сетевую среду. В общем случае при восстановлении длина пакетов увеличивается за счет включения в него дополнительных битов синхронизации. Увеличение длины пакета происходит за счет сокращения IPG.

При прохождении пакета через несколько повторителей IPG может сильно уменьшиться. При слишком малом зазоре между пакетами принявшее эти пакеты устройство DTE может не успеть обработать полученный пакет к моменту прихода следующего. Исходя из этого, ограничивается протяженность самого плохого пути в сегменте так, чтобы изменение длины пакета на этом пути не превышало 49 бит. Для преодоления перечисленных ограничений используется сегментация - деление сети на меньшие фрагменты, связанные с помощью мостов, маршрутизаторов или коммутаторов.

Общие ограничения для всех стандартов простого Ethernet следущие:

Номинальная пропускная способность, Мбит/с.........................................10

Максимальное число станций в сети........................................................1024

Максимальное расстояние между узлами в сети, м..............................2500 (в 10Base-FB 2750)

Максимальное число коаксиальных сегментов в сети...............................5

Для проверки соответствия сети требованиям стандарта ШЕЕ 802.3 необходимо начертить схему локальной сети, включив в нее все устройства с указанием длины и типа кабеля для каждого соединения, и убедиться в выполнении всех перечисленных ниже требований:

  • в сети нет пути между двумя устройствами, содержащего более 5 повторителей;

  • в сети не более 1024 станций (повторители не считаются);

 • сеть содержит только компоненты, соответствующие стандарту IEEE 802.3, а хост-модули, концентраторы и трансиверы используют только кабели AUI, 10Base-T, FOIRL, 10Base-F, 10Base-5 или 10Base-2;

 • оптические соединения имеют достаточно малое затухание, а число разъемов соответствует требованиям ШЕЕ 802.3j;

 • в сети отсутствуют соединения, превышающие предельно допустимую длину;

 • пути, содержащие 3, 4 или 5 повторителей, должны удовлетворять перечисленным ниже дополнительным требованиям.

 Ограничения для путей с 3 повторителями. Если самый длинный путь содержит 3 повторителя, должны выполняться следующие требования:

  • между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 1000м;

  • между повторителями и DTE не должно быть оптических соединений длиннее 400 м;

  • не должно быть соединений 10Base-T длиной свыше 100 м.

 Ограничения для путей с 4 повторителями. При четырех повторителях в самом длинном пути должны выполняться следующие требования:

 • между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 500м;

 • не должно быть соединении стандарта 10Base-T длиной свыше 100 м;

 • в сети не должно быть более 3 коаксиальных сегментов с максимальной длиной кабеля.

 Ограничения для путей с 5 повторителями. Если в самом длинном пути находится 5 повторителей, вводятся следующие ограничения:

  • должны использоваться только оптические (FOIRL, 10Base-F) соединения или 10Base-T;

  • не должно быть медных или оптических соединений с конечными станциями длиной более 100 м;

 • общая длина оптических соединений между повторителями не должна превышать 2500 м (2740 м для 10Base-FB);

 Приведенные способы оценки просты, но недостаточно точны. Некоторые конфигурации, не соответствующие перечисленным требованиям, оказываются совместимыми с требованиями IEEE 802.3.

 Для обеспечения соответствия требованиям ШЕЕ 802.3 в сети должны одновременно выполняться два условия:

 • задержка детектирования коллизий: продолжительность пути между любыми двумя точками не должна превышать 575 бит;

 • межпакетный интервал: изменение длины пакета не должно превышать 49 бит.

Создание сетей с большим числом станций возможно путем иерархического соединения концентраторов, образующего древовидную структуру. На рисунке 63 представлена такая структура, образующая общую область столкновений – один домен коллизий.

Рис. 63. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

В технологии Ethernet используются различные типы кадров. В таблице *** представлены четыре основных типа кадров Ethernet.

Таблица *** Форматы кадров простого Ethernet

 Рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.

  Ethernet II, разработанный первым для сетей Ethernet. Тип кадра Ethernet 802.3  создан фирмой Novell и является базовым для сетей с ОС NetWare. Ethernet 802.2, разработанный подкомитетом IEEE 802.3 в результате стандартизации сетей Ethernet, кадр содержит дополнительные поля.

 Ethernet SNAP, является модернизацией кадра Ethernet 802.2.

Цифры в круглых скобках обозначают длины полей кадров в байтах

Р - преамбула - представляет собой семибайтовую последовательность единиц и нулей (101010....). Это поле предназначено для синхронизации приемной и передающей станций;

SFD (Start Frame Delimiter) - признак начала кадра (10101011);

DA (Destination Address), SA (Source Address) – адреса получателя и отправителя. Они представляют собой физические адреса сетевых адаптеров Ethernet и являются уникальными. Первые три байта адреса назначаются каждому производителю Ethenet- адаптеров (для адаптеров фирмы Intel это будет значение 00AA00h, а для адаптеров 3Com - 0020AFh), последние 3 байт определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh ;

Length ~ длина передаваемого пакета;

Туре - поле определяет тип протокола сетевого уровня, пакет которого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для протокола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.).

FCS (Frame Check Sequence) – контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байт. Этот процесс называется выравниванием (padding). Жесткие ограничения на минимальную длину пакета введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения столкновений.

 DSAP (Destination Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-получателя (Е0h - для IPX), SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-отправителя,

 Control - номер сегмента; используется при разбиении длинных IP-пакетов на более мелкие сегменты; для пакетов IPX это поле всегда содержит значение 03h (обмен ненумерованными дейтаграммами).

Поля OUI (Organizational Unit Identifier) и ID определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.

 Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнивает значение адреса DA со своим адресом. Если адреса одинаковы или пришел широковещательный кадр, или задана специальная программа обработки, то кадр копируется в буфер станции. Если нет, то кадр игнорируется.

  Идентификация типа кадра сетевым адаптером осуществляется по следующему алгоритму:

  • если за полем SA следует значение старше 05DCh, то это кадр EthernetII,

  • если за полем Length записан идентификатор FFFFh, то это кадр Ethernet 802.3,

  • если за полем Length стоит идентификатор AAh, то это кадр Ethernet SNAP, иначе - это кадр Ethernet 802.2.

Максимальная производительность сети Ethernet

Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, иногда необходимо знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.

Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины. Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования - бит в секунду - используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду гораздо легче.

Замечание. При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности frames-per-second (fps) и packets-per-second (pps).

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит (рис. 64.), поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/с.

Рис. 64. К расчету пропускной способности протокола Ethernet

Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.

Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт или 12208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.

Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью в бит в секунду обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.

Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:

служебной информации кадра;

межкадровых интервалов (IPG);

ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:

СП =14880 * 46 *8 = 5,48 Мбит/с.

Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.

Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:

СП = 813 *1500 * 8 =9,76 Мбит/с,

что весьма близко к номинальной скорости протокола.

Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том случае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Ethernet другие узлы не мешают, что бывает крайне редко,

При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.

Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.

1. Технология физического уровня открытых систем. (типы линий связи; характеристика линий связи; пропускная способность; виды модуляции; цифровое кодирование; особенности протоколов канального уровня) 2 Организация работы в сети среды COC Novel Net Ware. (концепция Novel Net Ware; выделение ресурса сетевого устройства в общий доступ в скрытом виде; определение вида доступа; получение доступа к сетевому ресурсу, не подключая сетевой диск и с подключением сетевого диска; доступ WWW ресурсу в Интернет и Интранет сетях поиск в сети Интернет; получение информации о таблицах маршрутизации)
Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN)