Компьютерные сети Кабели и интерфейсы Обмен данных в сети Сетевое оборудование и топологии Служба передачи файлов FTP Беспроводные сети Архитектура Ethernet IP-адреса для локальных сетей Нагрузочная способность сети

Структура МАС-адреса

Формат адреса получателя или отправителя (MAC) показан на рис. 4.1.1.1.4. Для передачи данных на физическом уровне используется манчестерский код.

Рис. 4.1.1.1.4. Формат MAC-адреса

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней - нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 - указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Субполе UL является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию (адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (organizationally unique identifier) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI. Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA - organizationally unique address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация oui и oua составляют UAA (universally administrated address = IEEE-адрес).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае - это код протокола, пакет которого инкапсулирован в кадр Ethernet.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 9,6 мксек. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мсек), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (t= RAND(0,2min(n,10)), где n - содержимое счетчика попыток, а число 10 - backofflimit).

Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте (RTT). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит-тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д.. После n-ого столкновения случайное число лежит в пределах 0 - (2n - 1). После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023.

Теперь рассмотрим поведение сети при наличии k станций, готовых к передаче [46]. Если некоторая станция осуществляет передачу во время домена доступа с вероятностью p, вероятность того, что станция захватит канал равна:

 

A=kp(1-p)k-1

 

A достигает максимума при p=1/e. A -> 1/e при k ->∞. Среднее число доменов на один доступ равно 1/А. Так как каждый домен имеет протяженность RTT, то средняя длительность времени доступа составит RTT/A. Если среднее время передачи кадра составляет P секунд, то при большом числе станций, готовых к передаче эффективность канала составит P/(P+RTT/A).

 

Таким образом, чем длиннее кабельный сегмент, тем больше среднее время доступа.

 

После выдержки станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16, если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение. Передаваемый длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG. К счастью информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" (jam - не менее 32 бит). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение. Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля, отсутствие терминатора (50-омного согласователя кабеля) или неисправность одного из интерфейсов. Но сами по себе столкновения не являются чем-то негативным - это механизм, регулирующий доступ к сетевой среде.

Под логическим кабельным сегментом (иногда называемым областью столкновений) подразумевается один или несколько кабельных сегментов, объединенных повторителями. Анализ столкновений является одним из средств эффективной диагностики сети. Локальные столкновения (столкновения на сегменте, к которому непосредственно подключена рабочая станция) порождают укороченные пакеты-фрагменты (ведь их передача прерывается) с длиной менее 64 октетов. Большинство трансиверов и репитеров имеют на своих передних панелях индикаторы столкновений. Блок-схема реализации протокола CSMA/CD показана на рис. 4.1.1.1.4. Особое внимание я бы хотел обратить на влияние сигнала jam. В процессе пересылки столкнувшихся пакетов и за время передачи сигнала jam другие узлы могли захотеть что-то передать. Если таких узлов больше одного, то это приведет к синхронизации начала передачи этими узлами и к увеличению вероятности столкновения. Практически такую "синхронизацию" может осуществить любой достаточно длинный пакет. Такая синхронизация является причиной "коллапса" сети при большой загрузке.

 

Обойти проблему роста вероятности столкновений в сети можно, исключив из сети повторители и строя сеть исключительно на основе переключателей и маршрутизаторов, работающих в полнодуплексном режиме.

 

Алгоритм доступа CSMA/CD

Рис. 4.1.1.1.5 Блок-схема реализации алгоритма доступа к сетевой среде CSMA/CD

Метод CSMA/CD создает неопределенность времени доступа к сети, что делает ее неудобной для решения некоторых задач управления в реальном масштабе времени, где требуется малое время реакции системы на внешнее воздействие.

Рис. 4.1.1.1.6 Схема некоторых возможных вариантов подключения рабочих станций к Ethernet

Исторически первой появилась схема подключения к толстому 50-омному коаксиальному кабелю (сегмент 1 на рис. 4.1.1.1.6; Z=50 ±2 Ом) через трансивер и многожильный кабель типа AUI (attachment unit interface, максимальная длина 50 м). Трансивер подключается к кабелю методом "наколки", то есть во внешней оплетке и изоляции сверлится с помощью специального инструмента отверстие и через него осуществляется контакт трансивера с центральной жилой кабеля и экраном. Кабель по возможности не должен содержать сросток, в противном случае его предельная длина должна быть сокращена. Кабельный сегмент должен быть согласован с обоих сторон с помощью терминаторов (50 Ом ±1%). Позднее стала популярной схема соединений через тонкий коаксиальный кабель и t-образные коаксиальные разъемы (волновое сопротивление 50 Ом). В настоящее время наибольшее применение находит схема со специальными многовходовыми повторителями-концентраторами (Hub) и подключением оконечного оборудования через скрученные пары. Для подключения используется 8-контактный разъем RJ-45 (см. приложение 10.17 Разводка разъемов). Этому способствует удешевление категорированных скрученных пар, соответствующих повторителей, а также большая надежность и лучшая ремонтоспособность таких сетей. Следует иметь в виду, что предельные длины для коаксиальных кабелей, приведенные в таблице 4.1.1.1.1 относятся к зарубежным типам, в частности в случае тонкого кабеля - это rg-58. Отечественные разновидности кабеля, например РК-50-2-11, допускают (при максимальной загрузке) длины примерно в 1,3-1,5 раз меньше. Это связано с меньшим сечением центральной жилы и большей вариацией волнового сопротивления. Если же число ЭВМ подключенных к кабельному сегменту много меньше предельного, допускается использование и запредельных длин кабельных сегментов, но это не рекомендуется. Пропускная способность сети с методом доступа csma/cd снижается по мере роста загрузки из-за увеличения вероятности столкновений. По этой причине даже использование 100-мегагерцного ethernet не может гарантировать большей пропускной способности (по сравнению с обычным, см. рис. 4.1.1.1.8) при условии высоких загрузок и, как следствие, высоких вероятностей столкновений. ethernet-интерфейс перед началом передачи контролирует состояние кабельного сегмента (наличие несущей), выжидает некоторое время, если сегмент занят, после чего производит попытку передачи с контролем возможности столкновения.

Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локальной сети. Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных. Схема интерфейса на уровне MAU в упрощенном виде имеет вид, показанный на рис. 4.1.1.1.7.

Рис. 4.1.1.1.7. Схема интерфейса на уровне mau

Схема signal quality регистрирует коллизии и другие искажения сигнала и выдает в этом случае флаг SQE (signal quality error). sqe представляет собой сигнал CS0, посылаемый от MAU к DTE (точнее PMA к PLS, см. рис. 4.1.1.1.2). Сигнал SQE посылается mau также в случае завершения процесса передачи (output_idle). Узел isolate служит для блокировки передачи данных в сетевую среду, при этом DTE передает mau сигнал CS0. Суммарная емкостная нагрузка, вносимая mau, не должна превышать 4 пф. Входное сопротивление должно быть более 100 ком, а ток утечки должен лежать в пределах +2 мкА -25мкА. Выходной драйвер mau при передаче выдает в кабель -90 ±4мa (эквивалентно -2,05В на нагрузке 25 Ом). Предельное ослабление сигнала на длине 500 м не должно превышать 8,5 дБ (на частоте 10МГц).

При передаче сигнал распространяется в обоих направлениях по кабелю от точки подключения интерфейса. При использовании тонкого кабеля интерфейс должен иметь максимально большое входное сопротивление и минимально возможную входную емкость, чтобы вносить минимальные искажения для сигналов, распространяющихся по сегменту. В случае работы со скрученными парами на "кабельный сегмент" подключается только один интерфейс. Максимальное время прохождения сигнала между узлами сети, принадлежащих одному сегменту, называется окном коллизий и является важной рабочей характеристикой.

Помимо столкновений в сети может быть зарегистрировано появление ложной несущей (FCE - false carrier event) - битовая последовательность не имеет байта SFD, соответствующего конкретному типу физической среды. Появление ложной несущей обычно связано с состоянием кабеля или шумами. Если фиксируется появление двух ложных несущих подряд, повторитель должен отключить порт (перевести в состояние link unstable) и послать сигнал jam во все остальные порты. Сигнал jam должен продолжаться до конца потока данных, вызвавшего появление ложной несущей. Если канал восстановлен, повторитель переводит порт в нормальное состояние. Отключение порта возможно также при возникновении множественных коллизий (ECE - excessive collision error) - более 60 коллизий подряд. После блокировки порта он будет восстановлен, если в течении 500 тактов коллизии не обнаружены или при повторном включении повторителя. Если рассмотреть зависимость пропускной способности сети L от ее суммарной загрузки Lin, мы для Ethernet получим кривую, показанную на рис. 4.1.1.1.8.

Сетевые топологии физического уровня и их связь с методами доступа к среде. Топология физических связей Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам - физические связи между
Основы безопасности при работе в сетях