Глава 3. Технология Ethernet
Ethernet – это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов. В более узком смысле Ethernet – это сетевой стандарт передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, который появился в конце 70-х годов как стандарт трёх компаний – Digital, Intel, Xerox.
Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, т.е. разделяют передающую среду во времени. Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии LAN, в значительно большей степени определяющей её облик, чем метод кодирования сигналов или формат кадра. В технологии Ethernet в качестве алгоритма разделения среды применяется метод случайного доступа. И хотя его трудно назвать совершенным – при росте нагрузке полезная пропускная способность сети резко падает, — он благодаря своей простоте послужил основной причиной успеха технологии Ethernet.
Общая характеристика протоколов локальных сетей.
Список ключевых слов: общая среда передачи данных, стандартные топологии физических связей, метод случайного доступа, коллизия, слот, детерминированный доступ, передача токена, алгоритмы опроса, транспортировка кадров, дейтаграммный полудуплексный режим передачи, интерфейсные функции LLC, точка входа службы приемника, точка входа службы источника, доставка кадров с заданной степенью надежности, услуги LLC1, LLC2 и LLC3, стандарты межсетевого взаимодействия.
Технология Ethernet принадлежит к семейству технологий локальных сетей, в которое входят также такие технологии, как Token Ring, FDDI, IEEE 802.11 и 100VG-АпуLАN. Несмотря на определенную специфику, все эти технологии имеют единое назначение — создание локальных сетей. Поэтому полезно начать изучение Ethernet с рассмотрения общих принципов, использованных при разработке технологий LAN.
Стандартная топология и разделяемая среда
Основная цель, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов, заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры — появившиеся и быстро распространявшиеся тогда мини-компьютеры стоимостью в 10000 — 20000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети. Задача связи локальных сетей в глобальные не была первоочередной, поэтому практически все технологии локальных сетей ее игнорировали.
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном испольховании общей среды передачи данных.
Этот метод связи компьютеров впервые был опробован при создании радиосети ALOHA Гавайского университета в начале 70-х под руководством Нормана
А6рамсона. Радиоканал определенного диапазона частот естественным образом является общей средой для всех передатчиков, использующих частоты этого диапазона для кодирования данных. Сеть ALOHA работала по методу случайного доступа, когда каждый узел мог начать передачу пакета в любой момент времени. Если после этого он не дожидался подтверждения приема в течение определенного тайм-аута, он посылал этот пакет снова. Общим был радиоканал с несущей частотой 400 МГц и полосой 40 кГц, что обеспечивало передачу данных со скоростью 9600 бит/с.
Немного позже Роберт Меткалф повторил идею разделяемой среды уже для проводного варианта технологии LAN. Непрерывный сегмент коаксиального кабеля стал аналогом общей радиосреды. Все компьютеры присоединялись к этому сегменту кабеля по схеме монтажного ИЛИ, поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал, как и при использовании радиоволн. В технологиях Token Ring и FDDI тот факт, что компьютеры используют разделяемую среду, не так очевиден, как в случае Ethernet. Физическая топология этих сетей — кольцо, каждый узел соединяется кабелем с двумя соседними узлами (рис. 3.1). Однако эти отрезки кабеля также являются разделяемыми, так как в каждый момент времени только один компьютер может использовать кольцо для передачи своих пакетов.
Рис. 3.1. Разделяемая среда в кольцевых топологиях
Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов сети. Действительно, поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах, Транзитных узлов также нет. Основной недостаток разделяемой среды — плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети. Здесь применимо положение теории очередей: как только коэффициент использования общей среды превышает определенный порог, очереди к среде начинают расти нелинейно, и сеть становится практически неработоспособной. Значение порога зависит от метода доступа. Так, в сетях ALOHA это значение является крайне низким — всего около 18 %, в сетях Ethernet около 30 %, а в сетях Token Ring и FDDI оно выросло до 60-70%.
Лекция 13 Технология Ethernet Стандартная топология и разделяемая среда
Основная цель, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов, заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку компьютеры, объединявшиеся в сеть, были недороги – появившиеся и быстро распространявшиеся тогда мини-компьютеры стоимостью 10000-20000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети. Задача связи локальных сетей в глобальные не была первоочередной, поэтому практически все технологии локальных сетей ее игнорировали.
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей среды передачи данных (рис.1).
Рис. 1. Разделяемая среда передачи данных.
Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов сети. Действительно, поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах и, как следствие, в самих транзитных узлах. Соответственно, отпадает необходимость в сложных процедурах управления потоком и борьбы с перегрузками.
Основной недостаток разделяемой среды – плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети. Здесь применимо положение теории очередей: как только коэффициент использования общей среды превышает определенный порог, очереди к среде начинают расти нелинейно, и сеть становится практически неработоспособной. Для сетей Ethernet значение порога – около 30%.
Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, то есть разделяют передающую среду во времени. Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии LAN, в значительно большей степени определяющей ее облик, чем метод кодирования сигналов или формат кадра. В технологииEthernetв качестве алгоритма разделения среды применяется метод случайного доступа. И хотя его трудно назвать совершенным – при росте нагрузки полезная пропускная способность сети резко падает – он благодаря своей простоте стал основой успеха технологииEthernet.
Стандартизация протоколов локальных сетей
Каждая технология локальных сетей первоначально появлялась как фирменная технология; так, например, технология Ethernet»появилась на свет» в компанииXerox. Это было очень неудобно как для пользователей, так и для компаний-производителей сетевого оборудования.
Для исправления ситуации в институте IEEEбыл организован комитет 802 по стандартизации технологийLAN. Результатом работы комитетаIEEE802 стало принятие семейства стандартовIEEE802.x, содержащих рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей.
Комитет IEEE802 и сегодня является основным международным органом, разрабатывающим стандарты технологий локальных сетей.
Стандарты IEEE802 описывают функции, которые можно отнести к функциям физического и канального уровней моделиOSI. Как видно из рисунка 2, эти стандарты имеют как общие для всех технологий части, так и индивидуальные.
Рис. 2. Структура стандартов IEEE802.x.
Как видно из рисунка, помимо индивидуальных для каждой технологии уровней существует и общий уровень, который был стандартизован. Появление этого уровня связано с тем, что комитет 802 разделил функции канального уровня модели OSIна два уровня:
— управление логическим каналом (LogicalLinkControl,LLC) – реализуется программно соответствующим модулем операционной системы;
— управление доступом к среде (MediaAccessControl,MAC) – реализуется программно и аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером.
Основные функции уровня LLC:
— организует интерфейс с прилегающим к нему сетевым уровнем;
— обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности;
Основными функциями уровня MACявляются:
— обеспечение доступа к разделяемой среде;
— передача кадров между конечными узлами посредством функций и устройств физического уровня.
Если уровень MACспецифичен для каждой технологии и отражает различия в методах доступа к разделяемой среде, то уровеньLLCпредставляет собой обобщение функций разных технологий по обеспечению передачи кадра с различными требованиями к надежности.
Так как в зависимости от требований приложения может понадобиться разная степень надежности, то рабочая группа 802.2 определила три группы услуг:
Услуга LLC1– это услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных.LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. В этом случаеLLCподдерживает дейтаграммный режим работы, как иMAC, так что и технологияLANв целом работает в дейтаграммном режиме. Обычно эта процедура используется, когда такие функции, как восстановление данных после ошибоки упорядочивание данных, выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на уровнеLLC.
Услуга LLC2дает возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного соединения.
Услуга LLC3– это услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных. В некоторых случаях (например, при использовании сетей в системах реального времени, управляющих промышленными объектами), с одной стороны, временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а с другой стороны, подтверждение о корректности приема переданных данных необходимо.
Какой из трех режимов работы уровня LLCбудет использован, зависит от требований протокола верхнего уровня. Информация о требуемой отLLCтранспортной услуге передается через межуровневый интерфейс уровнюLLCвместе с аппаратным адресом и пакетом с пользовательскими данными. Например, когда поверхLLCработает протоколIP, он всегда запрашивает режимLLC1, поскольку в стекеTCP/IPзадачу обеспечения надежной доставки решает протоколTCP.