Лекция "Метод доступа сети Ethernet"

тема 4 вопрос 24 методы доступа Ethernet, кадр и архитектура сетей Метод доступа сети Ethernet. Как говорилось выше, в сети данного вида применяется множественный доступ с контролем  несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD). Это объясняется эффективностью  обнаружения и устранения конфликтов и простотой схемных решений нижнего подуровня  канального уровня (так называемого MAC­уровня ­ Medium Access Control), а также  возможностью высокой загрузки моноканала и большой нагрузки ЛВС. Верхний подуровень  канального протокола называется LLC­уровень (Logical Link Control). Функции MAC­уровня определены группой стандартов IEEE802.3, IEEE802.4, IEEE802.5 и  EEE802.6. Согласно этим стандартам второй подуровень формирует полную структуру  кадра и передает этот кадр с помощью средств протокола физического уровня ЭМ. При  этом второй подуровень управляет прослушиванием моноканала, обнаруживанием  конфликтов и восстановлением передачи после ликвидации конфликтов. В ЛВС Ethernet  применены два критерия определения конфликта: минимальная пауза между кадрами и  наложение кадров друг на друга.  Принцип метода CSMA/CD заключается в следующем. Если какое­то устройство начинает  передавать пакет, сигнал, воспринимаемым ведущим в настоящий момент передачу  устройством, не будет соответсвовать передаваемой информации. Устройства будут  принимать неразборчивую смесь сигналов. Когда каждый отправитель замечает, что его  пакет конфликтует с другим пакетом, то он сразу же прекращает передачу, чтобы не тратить бесполезно время сигнала. Так как "окно конфликтов" (время, требующиеся на  распространение сигнала по всем участкам сети) мало, то потерянное время оказывается  небольшим по сравнению с длительностью передачи типичного пакета. Различают  следующие протоколы доступа: ненастойчивые, настойчивые, прогнозируемые,  сегментируемые, приоритетные, бесприоритетные, резервируемые. Такое обилие протоколов объясняется прежде всего стремлением различных фирм обеспечить максимальную  эффективность использования микроэлектронных средств доступа к моноканалу за счет  более узкой специализации схем и их ориентацию на конкретную технологию производства  блоков доступа. Ненастойчивые методы CSMA/CD удлиняют каждый раз после  конфликта паузу ожидания перед повторной попыткой передать кадр. Удлинение  происходит на определенную детерминированную величину, определяемую счетчиком числа конфликтов. Настойчивые методы CSMA/CD удлиняют паузу ожидания на случайную  величину, вырабатываемую датчиком случайных чисел. Диапазон чисел определяется  диапазоном станций, подключаенных к моноканалу ЛВС. Прогнозирующие методы  CSMA/CD определяют паузу ожидания в зависимости от предыстории интенсивности  передач кадров в моноканале. Специальный счетчик регистрирует за определенный интервал времени, задаваемый таймером станции, число кадров, прошедших мимо данного MAC­ уровня. На основании показаний этого счетчика устанавливают паузу ожидания перед  передачей кадра и определяют уровень активности данной станции в зависимости от уровня  активности других станций, подключенных к моноканалу. Данный метод имеет  преимущества в случае применения в ЛВС с большим числом станций, имеющих различный  уровень активности. Такой режим отличается существенно несбалансированным трафиком и осложняет безошибочную работу моноканала. Небольшое общее снижение пропускной  способности компенсируется существенным снижением числа конфликтов. Недостаток  этого метода заключается в повышенной сложности анализатора, который не только слушает моноканал даже если в памяти FIFO МАС­средства нет информации готовой к передаче, но  и определяет число кадров и конфликтов в единицу времени. Другой существенный  недостаток заключается в том, что снижение пропускной способности существенно влияет  на объем памяти FIFO в МАС­средстве станции. Поэтому иногда метод прогнозирующего  CSMA/CD комбинируют с методом настойчивого CSMA/CD с помощью введения в МАС­ средство специального переключателя режима. Этот переключатель в случае переполнения  FIFO в МАС­средство осуществляет переход на алгоритм, реализующий настойчивый методCSMA/CD, на этап прослушивания моноканала. Такой подход эффективен при применении  длинных кадров и ограниченном объеме памяти FIFO. Сегментируемые методы CSMA/CD предусматривают деление времени, в течении которого моноканал свободен, на сегменты.  Сегментирование применяют в случае, если необходимо повысить устойчивость  синхронизации взаимодействия процессов. Использование этих сегментов осуществляется  средствами MAC­уровня различными способами, среди которых наиболее  распространенными являются способы определения преимущества при использовании  свободного сегмента. Из них можно выделить два способа: безусловного и условного  выделения сегмента времени. Безусловное сегментирование заключается в выделении групп  средств MAC­уровней (MAC­средств) с одинаковыми приоритетами. Имеется столько  сегментов, сколько выделено приоритетных групп. Если MAC­средства, относящиеся к  первой группе, имеют кадры в очереди памяти FIFO, а другие MAC­средства, относящиеся  к более высокой приоритетной группе, таковых кадров не имеют, то MAC­средства первой  группы посылают заявочный кадр и информируют о желании захватить моноканал, MAC­ средства из групп с более низким приоритетом в ответ на это задерживают свои передачи.  Конфликт возможен с MAC­средствами более высокими или равными приоритетами. Если  все сегменты пустые, то любые MAC­средства могут передать свой кадр.Условное  сегментирование определяет правила назначения сегмента времени, после того как  произошел конфликт. Считается, что вероятность возникновения конфликта между одними  и теми же источниками несколько раз очень мала. Поэтому MAC­средства, имеющие  подготовленный кадр, начинают передачу в свободный моноканал в интервал времени  свободного сегмента. Если происходит конфликт, то при повторной попытке предпочтение  отдается MAC­средствам, вступившим в конфликт.Условное сегментирование имеет  преимущества перед безусловным только в том случае, если число конфликтующих пар  невелико. После конфликта конфликтующим станциям выделяется дополнительный  сегмент, в течение которого они выдержат паузу и передадут свою информацию. Поскольку  в конфликте участвуют две станции (вероятность конфликта между несколькими станциями очень мала), то деление сегментов, выделенных в их распоряжение, производится между  ними в заранее установленном порядке. Для сети Ethernet, как имеющую шинную топологию, в распоряжение двух станций, предоставляется двойной сегмент времени, и любая из них в  режиме конкуренции может, выдержав паузу захватить сегмент. Остаток остается другой  станции. Выделение сегментов времени для каждого МАС­средства происходит с помощью  внутренних таймеров, входящих обычно в комплект микроЭВМ станции. Таймер  устанавливает интервал времени работы МАС­средства. Причем этот интервал может  произвольно менятся по какому­либо алгоритму. Приоритетные методы CSMA/CD  реализуют приритет того или иного MAC­средства в виде времени, в течении котоорого  данное МАС­средство может испльзовать моноканал. Чем выше приоритет, тем большее  время может занимать моноканал МАС­средство. Другим выражением приоритетности  является прерывания кадра более приоритетным устройством. Здесь в каждом кадре должен имется специальный признак возможности прерывания со стороны более приоритетного  устройства.Элементы бесприоритетных методов CSMA/CD присутствуют во многих  рассмотренных выше методах, например в ненастойчивых, настойчивых, прогнозирующих.  Наиболее часто бесприоритетные методы CSMA/CD обеспечивают динамическое  распределение пропускной способности моноканала с помощью сегментирования и  присваивания сегментов времени в порядке очередности всем МАС­средствам станций ЛВС. Резервируемые методы CSMA/CD предусматривают передачу кадра только после полного захвата свободного моноканала. После этого передается специальный короткий кадр,  резервирующий моноканал для передачи кадра. Убедившись в том, что другие станции  воспринимают его как должное и не передают свои резервирующие кадры, МАС­средство  начинает передачу кадра. Этот агоритм может выполнятся эффективно только в том случае, если допускается снижение загрузки моноканала и на первое место выдвигается требование  повышения надежности работы канала передачи данных. Кроме того, здесь действует  ограничение активности станций ЛВС. Так при увеличении длины кадра до 1500 байт,уменьшении числа активных станций до 64 и скорости передачи кадров до 1 Мбит/с можно  достичь загрузки моноканала порядка 18%. Фактически действенность этого метода по  загрузке моноканала приближается к методам CSMA. Работа этого метода  регламентируется стандартом IEEE802.3. Обычно каждый блок доступа, реализующий метод CSMA/CD, должен работать в двух  типовых режимах: нормальном и конфликтном. В первом режиме блок доступа передает и  принимает информацию в темпе, определяемой пропускной способностью ЛВС и временем  синхронизации сигналов в манчестерском коде. Во втором режиме в моноканале возникают  конфликты, которые должны обнаруживаться и устранятся аппаратными МАС­средствами. . Блок доступа, реализующий алгоритм ненастойчивого метода доступа CSMA/CD выполняет следующие функции: обнаружение конфликтов в моноканале с помощью выносной схемы,  входящей в состав приемника, ответвителя или декодера; блокировку своего передатчика  при обнаружении конфликта; фиксирование заранее заданной прогрессирующей задержки  повторной попытки передачи своей информации после обнаружения конфликта;  разъединение приемник и передатчика. Такой разрыв необходим только в сетях с кольцевым моноканалом. Таким образом мы видим, что повышение эффективности пауз ожидания перед повторными  попытками передать кадр, а также снижение времени реакции на конфликт и повышение  общей пропускной способности позволяют подключать до 1000 станций и передавать сотни  кадров в секунду. Необходимо заметить, что метод CSMA/CD используется не только в сети Ethernet, а также в ряде других сетей, таких как Omninet, GlusterBus, Hyperchannel и других. Метод настойчивого CSMA/CD более предпочтителен, чем метод ненастойчивого  CSMA/CD. Это объясняется тем, что датчик случайных чисел, определяющий значение  паузы ожидания, лучше защищает от повторного конфликта, нежели простое увеличение  задержки, применяемого в методе ненастойчивого CSMA/CD. Случайность обращения здесь хорошо увязывается со случайной природой паузы ожидания, в результате чего вероятность  конфликта снижается. Структура кадра сети Ethernet. Как уже упоминалось ранее стандартный кадр Ethernet может содержать от 72 до 1526 байт.  Здесь будет рассмотрено назначение полей кадра более детально. Кадр начинается с преамбулы ­ специального кода начала кадра. Преамбула может  содержать информация кадров по моноканалу. Затем идут адреса получателя и отправителя. В поле управления размещается код типа кадра. Далее расположен блок данных. Завершает  кадр проверочная последовательность, устанавливающая искажен кадр или нет. Структура Байт Преамбула кадра 8 Адрес получателя 6 Адрес отправителя 6 Управление 2 Блок данных 46­1500Проверочная  4 последовательность Необходимо заметить, что формирование кадра берет на себя канальный протокол HDLC.  Для сети Ethernet он допускает формирование преамбулы, признаков начала информации,  адресной информации и т. д. любым удобным для пользователя способом. Однако этот  протокол жестко ограничивает формат и структуру поля управления логическим каналом.  Существует несколько способов заполнения поля управления, рассмотрим один из них. БитI S N 1 0 1 2 N(S)0 1 1 3 N(S)S M 4 N(S)S M 5 C C C 6 N(R)N(R)M 7 N(R)N(R)M 8 N(R)N(R)M Информационный кадр ( I ) обозначается нулевым значением первого бита поля  управления. Порядковый номер кадра помещается в трехбитовым поле N(S). Пятый бит  служит для записи признака того, что кадр подвергался искажению вследствие конфликта.  Последние три бита (с шестого по восьмой) содержат номер следующего ожидаемого кадра  N(R) для потока данных с противоположного направления. В моноканальных ЛВС ( к коим  относится Ethernet) приемник получает информацию от средств доступа к моноканалу о  конфликтах и, кроме того, пятый бит с признаком повторения кадра. Поэтому нет  необходимости соблюдать порядок следования кадров для того, чтобы передатчик смог  обнаружить повторение кадров после получения соответсвующих ответов. Супервизорный кадр ( S ) отличается от информационного тем, что первые два бита поля  управления содержат комбинацию 10. Далее в третьем и четвертом битах содержится  информация о супервизорной функции. Это означает, что комбинация в этих битах ( так  называемых S­битах ) указывает на один из четырех типов супервизорных кадров. Далее впятом бите точно также, как и в информационном кадре, содержится признак повторения  кадра ЛВС. В шестом по восьмом битах содержится номер ожидаемого кадра. Ненумерованный кадр ( N ) отличается от остальных типов кадров тем, что содержит в  первых двух битах комбинацию 11, в третьем, четвертом, шестом, седьмом и восьмом битах  информацию М, классифицирующую тип ненумерованного кадра. Как видно из рисунка, здесь рассмотрена структура блока управления длиной в один байт,  однако в сети Ethernet используется кадр, длина поля управления которого два байта. При  этом второй байт предназначена для дополнительной информации пользователя, например  значений таймера логического канала. Последний устанавливает определенное время  существование логического канала и после истечения этого времени формирует команду  DISC ( разъединение соединений ). В этом случае могут быть проложены временные  логические каналы в обход неисправных и повышена общая надежность функционирования  каналов. Форматы кадров Ethernet В сетях Ethernet могут применяться кадры четырех форматов: 1. 2. 3. 4. Ethernet II (Ethernet DIX); Ethernet 802.2; Ethernet 802.3; Ethernet SNAP. На Рис.1 приведены форматы кадров (первая строка ­ обозначение полей, вторая строка ­  размеры полей в байтах). P DASA Type 8 6 6 2 Кадр Ethernet II Data 46­1500   Кадр Ethernet 802.2/LLC FCS 4 PSFD DASA Length DSAP SSAP Control Data FCS 7 1 6 6 2 1 1 1/2 43/42­1497/1496 4   Кадр Ethernet 802.3 (“Raw”)PSFD DASA Length 7 1 6 6 2 Data 46­1500   Кадр Ethernet SNAP FCS 4 PSFD DASA Length DSAP (0xAA) SSAP (0xAA) Control (0x03) PROTID Data FCS 7 1 6 6 2 1 1 1 5 38­1492 4 Рис. 1 Форматы кадров Ethernet Поле P (Preamble, преамбула) состоит из семи байт 10101010 и используется для  синхронизации. Преамбула кадра Ethernet II содержит также полет SFD; Поле SFD (Start of Frame Delimiter, разделитель начала кадра) имеет значение  10101011 и указывает на то, что следующий байт принадлежит заглавию кадра. Поле DA (Destination Address, адрес назначения) содержит адрес одного из трех  типов: 1. 2. 3. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. индивидуальный (unicast) адрес – первый бит старшего байта равняется 0,  указывает на единственного получателя (являет собой его MAC­адресу); уникальность  адресов обеспечивают производители сетевого оборудования: во втором и третьем байте  сохраняется номер фирмы­изготовителя, а другие заполняются изготовителем; некоторые  сетевые адаптеры позволяют устанавливать для них произвольный MAC­адресу; широковещательный (broadcast) адрес – состоит из всех единиц  (0xFFFFFFFFFFFF), указывает на то, что данный кадр должен быть получен всеми узлами  сети; групповой (multicast) адрес – первый бит старшего байта равняется 1, в  других битах сохраняется номер группы узлов, для которых назначенный дан кадр. Поле SA(Source Address, адрес источника) содержит MAC­адресу отправителя  кадра (всегда индивидуальный адрес); Поле Type (тип) указывает на протокол верхнего уровня, чьи данные передаются в  кадре (фактически, выполняет функции полей DSAP и SSAP из заглавия кадра LLC); Поле Length (длина) содержит размер поля Data (в байтах); Поле Data (данные) содержит данные, переданные протоколом верхнего уровня; Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольная последовательность кадра)  содержит контрольную сумму кадра, вычисленную по алгоритму CRC­32; 9. 10. Поля DSAP, SSAP и Control составляют заглавие LLC­кадру. Поле PROTID (идентификатор протокола) позволяет использовать кадры Ethernet  для передачи данных больше широкого множества протоколов верхнего уровня. Это поле  состоит из двух подполей: трехбайтового OUI (Organizationally Unique Identifier,  организационно уникальный идентификатор), что хранит номер организации, котораяконтролирует кодов протоколов во втором (двухбайтовому) подполе Type (тип). IEEE  присвоен OUI = 0x00000.