10Base-F - совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК).
Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда».
• длина оптоволоконного кабеля между повторителями - до 1 км;
• максимальное число повторителей - 4;
• максимальный диаметр сети - 2500 м.
2. Стандарт 10Base-FL(Fiber Link)- улучшенный вариант стандарта FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может достигать 2000 м, при этом:
• максимальное число повторителей - 4;
• максимальный диаметр сети - 2500 м.
3. Стандарт 10Base-FB(Fiber Backbone) предназначен только для объединения повторителей в магистраль, при этом:
• между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB;
• максимальная длина одного сегмента - 2000 м;
• максимальный диаметр сети - 2740 м.
В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5.
В табл.3.2 сведены основные параметры стандартов оптических сетей Ethernet 10Base-F.
Таблица 3.2
Стандарт
FOIRL
WBase-FL
10Base-FB
Отличительная особенность
Мощные передатчики
Для соединения повторителей
Расстояние между узлами
1000 м
2000 м
2000 м
Число повторителей
Диаметр сети
2500 м
2500 м
2740 м
Стандарт ЛВС Ethernet канального уровня IEEE 802.3 описывает формат используемых в сети кадров и метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD.
В процессе эволюции сетей Ethernet появились 4 типа кадров:
• Ethernet II или Ethernet DIX, предложенный фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX);
• Raw 802.3 или 802.3/Novell, появившийся в результате усилий компании Novell по созданию своего стека протоколов в сетях Ethernet;
• 802.3/LLC или 802.3/802.2, появившийся как результат разделения функций канального уровня на подуровни MAC и LLC;
• Ethernet SNAP, появление которого было вызвано необходимостью приведения предыдущих форматов кадров к общему стандарту.
Кадр Ethernet II (Ethernet DIX)
Стандарт Ethernet II был разработан фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) и с небольшими изменениями принят в 1982 году. Формат кадра Ethernet II представлен на рис.3.20.
П - преамбула (8 байт):
• используется для синхронизации станций сети;
• содержит код 10101010 в первых семи байтах и код 10101011 в последнем байте.
АН - адрес назначения (6 байт):
• длина поля составляет 6 байт, но может быть 2 байта, если адрес установлен администратором ЛВС только для внутреннего пользования;
• старший (самый первый) бит в поле адреса (рис.3.21) указывает тип адреса (I/G - Individual/Group):
0 - адрес назначения является индивидуальным,т.е. кадр предназначен конкретной рабочей станции; в остальных разрядах поля адреса назначения указывается уникальный физический адрес (МАС-адрес) конкретной рабочей станции;
1 - адрес назначения является групповым,т.е. кадр предназначен группе рабочих станций (тогда в последующих разрядах указывается адрес конкретной группы рабочих станций), или широковещательным,если все остальные разряды равны 1, то есть кадр адресован всем рабочим станциям в ЛВС;
• второй бит в поле адреса указывает способ назначения адреса (U/L - Universal/Local):
0 - адрес является универсальнымфизическим адресом в ЛВС, т.е. адрес сетевого адаптера назначен централизованно комитетом IEEE, который распределяет между производителями сетевых адаптеров так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI), размещаемые в первых трех байтах адреса, а в следующих трех байтах помещается номер сетевого адаптера, присваиваемый производителем (рис.3.21);
1 - адрес локальный,т.е. назначен администратором ЛВС и используется только в пределах этой сети.
АИ - адрес источника (6байт):
• длина поля составляет 6 байт, но, как и адрес назначения, может иметь длину 2 байта;
• старший бит первого байта (поля I/G) всегда равен 0;
• не может содержать широковещательный адрес:
FF-FF-FF-FF-FF-FF. Тип- тип протокола (2 байта):
• идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для его передачи или приема, и позволяющего множеству протоколов высокого уровня разделять ЛВС без вникания в содержимое кадров друг друга;
• примеры значений поля «тип», идентифицирующих различные протоколы:
> IP (Internet Protocol) 080016
> ARP (Adress Resolution Protocol) 080616
> Reverse ARP 803516
> Apple Talk 809Bi6
> NetWare IPX/SPX 813716 (здесь индекс \в - означает шестнадцатеричное число). Данные- поле данных (46-1500 байт):
• может иметь длину от 46 до 1500 байт. КС - контрольная сумма:
• содержитостаток избыточной циклической суммы (Cyclic Redundancy Checksum - CRC), вычисленной с помощью полиномов типа CRC-32 для всех полей кадра: АН+АИ+Тип+Данные(без преамбулы).
Таким образом, минимальная длина кадра Ethernet (без преамбулы) 64 байта, а максимальная - 1518байтов.
Кадр Raw 802.3 (IEEE 802.3/Novell)
В основу стандарта IEEE 802.3 был положен кадр Raw 802.3, предложенный фирмой Novell и называемый также кадром 802.3/Novell, формат которого показан на рис.3.22.
Основные отличия этого кадра от кадра Ethernet II заключаются в следующем:
1) из восьмибайтового поля преамбулы П, которое стало длиной 7 байт, выделено однобайтовое поле НО - «Начальный ограничитель кадра», которое содержит код 10101011, указывающий на начало кадра;
2) вместо поля «Тип протокола» появилось двухбайтовое поле Д -«Длина», которое определяет длину поля данных в кадре; отсутствие поля «Тип протокола» обусловлено тем, что кадр 802.3/Novell соответствует только протоколу IPX/SPX и лишь этот протокол может работать с ним;
3) поле данных может содержать от 0 до 1500 байт, но если длина поля меньше 46 байт, то используется дополнительное поле Н -«Набивка», с помощью которого кадр дополняется до минимально допустимого значения в 46 байт, если поле данных меньше 46 байт.
Таким образом, длина кадра находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и признака начала кадра. Важной особенностью стандарта IEEE 802.3 является возможность передачи прикладным процессом данных длиной менее 46 байтов, благодаря тому, что кадр автоматически дополняется до нужного размера пустыми символами в поле «Набивка». В стандарте Ethernet II такие ситуации рассматриваются как ошибочные.
Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2)
Кадр 802.3/LLC (802.3/802.2) содержит те же поля, что и Raw 802.3 (рис.3.23). Отличие состоит лишь в том, что в поле данных вставляется пакет подуровня управления логическим соединением LLC (без граничных флагов), содержащий в качестве заголовка три однобайтовых поля:
• DSAP(Destination Service Access Point) - точка доступа к услугам получателя (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня получателя кадра;
• SSAP(Source Service Access Point) - точка доступа к услугам источника (1 байт) определяет тип протокола верхнего (сетевого) уровня источника кадра;
У - управление (1 или 2 байта) - содержит информацию для управления одним из трех сервисов, предоставляемых подуровнем LLC; например, значение 0316 соответствует ненумерованному формату в стандарте Ethernet 802.2, указывающему, что подуровень LLC обеспечивает обслуживание без установления логического соединения. Поля DSAP, SSAPи Уобразуют заголовок пакета LLC.
Так как поле «Управление» пакета LLC имеет длину 1 (в режиме LLC1) или 2 байта (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт соответственно.
Кадр Ethernet SNAP
Кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol), протокол доступа к подсетям) предназначен для устранения разнообразия в форматах кадров и в
кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet.
Структура кадра SNAP является развитием структуры кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, который находится за заголовком пакета LLC и включает в себя 2 поля:
• идентификатор организации(3 байта) содержит идентификатор той организации, которая контролирует коды протоколов, указываемые в поле «тип» (коды протоколов для ЛВС контролирует IEEE, который имеет идентификатор организации, равный 000000; если в будущем потребуются другие коды протоколов, то достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, не меняя старые значения кодов);
• тип(2 байта) - состоит из 2-х байт и соответствует полю «Тип» кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов более высокого сетевого уровня.
При этом 3 поля заголовка пакета LLC в кадре Ethernet SNAP имеют вполне конкретные значения:
• DSAP(1 байт) всегда содержит AAi6 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP;
• SSAP(1 байт) всегда содержит AAi6 и указывает на то, что кадр имеет формат типа Ethernet SNAP;
• управление(1 байт) содержит число 03i6.
Алгоритм определения типа кадра
Практически все сетевые адаптеры Ethernet могут работать со всеми четырьмя типами кадров, автоматически распознавая их.
На 3.24 приведена схема алгоритма определения типа кадра в ЛВС Ethernet. Поскольку для кодирования типа протокола в двухбайтовом поле «Тип/Длина» указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500 или в шестнадцатеричной системе счисления 05DCi6, кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению этого поля. Затем проверяется наличие или отсутствие полей LLC, которые могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины следует заголовок пакета IPX, а именно 2-байтовое поле заполненное единицами. Затем проверяются значения полей DSAP и SSAP: если они равны AAi6, то это кадр Ethernet SNAP, в противном случае - кадр 802.3/LLC.
Протокол CSMA/CD
При описании протокола CSMA/CD временные интервалы удобно измерять не в абсолютных единицах времени (мкс или мс), а в количестве так называемых «битовых интервалов».
Битовый интервал - это интервал, соответствующий передаче одного бита, то есть это время между появлением двух последовательных бит. Обозначим через Ы - битовый интервал, тогда длительность битового интервала будет определяться следующим образом: tbt=\/C, где С -пропускная способность среды передачи (скорость передачи данных). При пропускной способности С=10 Мбит/с длительность битового интервала ты = 100 не и ты = 10 не при С=100 Мбит/с.
Поскольку протокол CSMA/CD применяется в ЛВС Ethernet с пропускными способностями среды передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, использование понятия битового интервала позволяет обобщить описание протокола CSMA/CD для всех этих сетей.
Припередаче данныхсогласно протоколу CSMA/CD станции выполняют следующие этапы.
1. Прослушивание до начала передачи.
Станция может передавать кадр, если разделяемая среда (канал связи) свободна. Для этого станции непрерывно следят, не появился ли в канале сигнал "наличие несущей", который распознается по уровню напряжения и свидетельствует о занятости канала.
2. Задержка передачи, если канал занят. При этом кадр, ожидающий освобождения канала, находится в буфере сетевого адаптера.
3. Начало передачи кадра, если канал свободен. Признаком незанятости канала является отсутствие в нём несущей частоты.
Если канал свободен или только что освободился (сигнал "отсутствие несущей"), станция может начать передачу, выдержав технологическую паузу, называемую межкадровым интервалом, длиной в 96 битовых интервалов, что для ЛВС с пропускной способностью 10 Мбит/с составляет 9,6 мкс.
Необходимость межкадрового интервалаобусловлена следующими обстоятельствами. Во-первых, поскольку все станции отслеживают передачу всех кадров в сети, то после завершения передачи все сетевые адаптеры должны быть приведены в исходное состояние для приёма очередного кадра, для чего требуется определённое время. Во-вторых, использование межкадрового интервала предотвращает монопольный захват среды одной станцией.
По завершении межкадрового интервала станции могут начать передачу своего кадра. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все станции строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра.
4. Передача кадра и прослушивание коллизий. Кадр передается по кабельной системе в обоих направлениях. Если в это же время ещё одна станция начнёт передачу кадра, в канале возникнет коллизия. Кадры, вовлеченные в коллизию, превратятся во фрагменты(произойдет наложение кадров). Поэтому во время передачи станции прослушивают канал с целью обнаружения коллизий. Возникновение коллизии распознается по наличию сигнала в канале, уровень которого не меньше уровня сигнала, производимого при одновременной передаче двумя или несколькими трансиверами.
Если коллизия возникла, но другие станции еще не обнаружили ее, они могут попытаться начать передачу. Кадры этих станций тогда будут вовлечены в новую коллизию. Для исключения такой ситуации вовлеченные в коллизию станции начинают передавать сигналзатора с тем, чтобы все остальные станции сегмента удостоверились в том, что линия занята.
Сигнал затора - специальная последовательность из 32 бит, называемая jam-последовательностью.
Станции, вовлеченные в коллизию, увеличивают на 1 свои счетчики числа попыток передачи.
Станция считает, что она управляет сегментом кабеля, если ею уже передано более 64 байт. Коллизия, возникающая с кадром длиной более 64 байт, называется поздней коллизией, что обычно свидетельствует о некорректном монтаже кабельной системы, например, о том, что какой-то сегмент может быть длиннее, чем это определено спецификацией для данного типа кабельной системы.
5. Ожидание перед повторной передачей.
Для выбора момента повторной передачи станция действует согласно так называемому алгоритму отступления, обеспечивающему различные времена готовности к повторной передаче. Повторная передача откладывается на случайное время кратное 512 битовым интервалам, что для ЛВС с пропускной способностью 10 Мбит/с составляет 51,2 мкс:
t = 5\2*N.
Здесь N - случайная величина, принимающая целочисленное значение из интервала (0; 2й) в соответствии с равномерным законом распределения, где п - количество коллизий (повторных передач), причем п = \,2, ...,10.
При п = 1 случайная величина N может принять с вероятностью 1/3 одно из трёх значений: 0, 1, 2, а при п = 2 - с вероятностью 1/5 одно из пяти значений: 0, 1, 2, 3, 4.
После десятой коллизии п не меняется и остается равным 10. Таким образом, максимальное время, на которое откладывается передача кадра,
равно ттах = 51,2 мкс *210=52,4 мс.
6. Повторная передача или прекращение работы.
Станция может попытаться передать кадр до 16 раз, прежде чем прекратит свои попытки. В этом случае кадр остается не переданным.
При приёме данныхстанция, находящаяся в сети, должна выполнять следующие действия.
1. Просмотр поступающих кадров данных и обнаружение фрагментов.
В ЛВС Ethernet все станции просматривают все кадры, проходящие по каналу связи. При этом для каждого кадра проверяется, имеет ли он допустимую длину (не менее 64 байт), то есть не является ли он фрагментом, порожденным коллизией.
2. Проверка адреса получателя.
Если кадр данных не является фрагментом, принимающая станция проверяет адрес получателя кадра, чтобы определить, следует ли обрабатывать кадр.
Если кадр адресован данной станции, является широковещательным или имеет соответствующий групповой адрес, станция проверяет целостность кадра.
3. Проверка целостности кадра данных.
Для того, чтобы избежать обработки искаженных при передаче по каналу или некорректно сформированных на передающей станции кадров, принимающая станция должна проверить:
• длину кадра: если кадр длиннее 1518 байт, он считается переполненным; переполненные кадры могут появляться в результате неисправностей сетевого драйвера;
• контрольную последовательность кадра с помощью циклического избыточного кода;
• если контрольная последовательность некорректна, проверяется выравненность кадра: все кадры должны содержать целое число байт (например, не 122,5 байт).
Если контрольная последовательность кадра некорректна, но кадр содержит целое число байт (корректно выровнен), считается, что имеет место ошибка контрольной последовательности.
Таким образом, проверка кадра принимающей станцией заключается в определении:
• является ли кадр фрагментом;
• не слишком ли велика его длина;
• ошибочна ли его контрольная последовательность;
• корректно ли он выровнен.
Если какая-либо проверка завершилась неудачей, кадр уничтожается и его содержимое не передается для обработки протоколу сетевого уровня.
4. Обработка кадра.
Кадр, успешно прошедший все проверки, считается корректным, правильно сформированным и имеющим допустимую длину. Такой кадр освобождается от заголовка и концевика, а его содержимое передаётся для дальнейшей обработки протоколу сетевого уровня.
Если станция корректно подключена к сети, обладает исправными картами и трансиверами, то она должна принимать и передавать корректно сформированные кадры данных. Для проверки работоспособности сети используются анализаторы протоколов, которые обеспечивают проверку качества связи со станциями и с файл-сервером. Для этого используются специальные диагностические кадры в виде широковещательного сообщения, называемого кадром "пинг-понг", на который должны ответить станции сети.
