Структура стандартов IEEE 802.x

Комитет 802 института IEEE был создан в 1980 году с целью выработки стандартов для локальных сетей. Результаты работы этого комитета (группа стандартов IEEE 802.x) легли в основу международных стандартов от ISO 8802‑1 до ISO 8802‑5. Комитет 802 не столько разрабатывал новые протоколы, сколько выделял в широко распространенных фирменных технологиях общие принципы, подходы и функции, и формулировал открытые стандарты на их основе. Группа стандартов IEEE 802.x охватывает два нижних уровня модели ВОС – физического и канального уровня. Канальный уровень с точки зрения стандартов 802.x состоит из двух подуровней:

- логической передачи данных (Logical Link Control, LLC)

- управления доступом к среде передачи (Media Access Control).

Подуровень LLC предоставляет стандартный интерфейс с сетевым уровнем, независимый от сетевой технологии. Протоколы сетевого уровня, когда им нужно передать кадр данных, обращаются именно к подуровню LLC.

Подуровень MAC обеспечивает совместное использование среды передачи, выполняя соответствующие алгоритмы доступа. Специфические особенности технологий локальных сетей – Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN и др. – реализуются именно на подуровне MAC.

Часть стандартов группы 802 описывает отдельные технологии, а часть содержит стандарты, общие для разных технологий.

Подгруппа 802.1 содержит общие определения локальных сетей, связь модели IEEE 802 с моделью OSI, правила взаимодействия различных технологий.

К ней относятся:

- 802.1d – логика работы моста/коммутатора; алгоритм покрывающего дерева.

- 802.1h – логика работы транслирующего моста (связывающего сети разных технологий).

- 802.1p – дополнения к логике мостов для работы с трафиком разных приоритетов и выполнения динамической фильтрации группового вещания.

- 802.1q – построение виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN) с помощью мостов/коммутаторов.

Стандарт 802.2 описывает работу подуровня LLC.

Подгруппа стандартов 802.3 описывает работу подуровня MAC и физического уровня с методом доступа CSMA/CD. Собственно стандарт 802.3 определяет технологию Ethernet (10 Мбит/c), 802.3u – Fast Ethernet (100 Мбит/c), 802.3z и 802.3ab – Gigabit Ethernet (1 Гбит/с). Стандарт 802.3x определяет правила управления потоком для дуплексного режима.Стандарт 802.4 описывает работу подуровня MAC и физического уровня технологий типа маркерная шина (Token Ring, протокол MAP (Manufacturing Automation Protocol) для связи устройств промышленной автоматики).

Стандарт 802.5 описывает работу подуровня MAC и физического уровня технологий типа маркерного кольца (Token Ring).

Стандарт 802.6 описывает городские сети (Metropolitan Area Network, MAN).

Стандарт 802.7 описывает принципы широкополосной передачи.

Стандарт 802.8 описывает принципы построения сетей на основе волоконно-оптических технологий.

Стандарт 802.9 содержит совместимые с ISDN спецификации совместной передачи голоса и данных.

Стандарт 802.10 описывает принципы сетевой безопасности.

Стандарт 802.11 описывает беспроводные технологии передачи данных.

Стандарт 802.12 определяет технологию передачи с методом доступа по требованию с приоритетами (100VG-AnyLAN).

32 Метод доступа CSMA/CD

Метод доступа CSMA/CD определяет, во-первых, каким образом станция определяет момент, когда она может передать кадр, во-вторых – каким образом должны вести себя станции в случае одновременного начала передачи кадров двумя или более узлами.

Каждая станция постоянно прослушивает сеть. Если в сети присутствует сигнал несущей частоты, значит, другая станция передает свой кадр. Для того, чтобы иметь право передать кадр, станция должна дождаться “тишины” (отсутствия несущей), выждать технологическую паузу (9.6 мкс), и, если за время паузы сигнал несущей не появился, начать передачу.

Все станции, прослушивая сеть, распознают передаваемый кадр, и та из них, чей адрес записан в поле получателя, принимает кадр полностью и передает его протоколам верхних уровней. Остальные станции “чужие” кадры должны игнорировать.

Возможна ситуация, когда две станции одновременно начинают передачу кадров. Такая ситуация называется коллизией (collision). Наступление коллизии передающая станция может определить по отличию передаваемых и принимаемых ею данных (во время передачи кадра станция продолжает прослушивать сеть). Обнаружившая коллизию станция должна прекратить передачу кадра, передать в сеть специальный сигнал затора (jam), состоящий из 32 бит, и выдерживает паузу случайной длительности (определяемой по специальному алгоритму). После этого она может опять попытаться передать свой кадр (естественно, дождавшись “тишины” и выждав технологическую паузу).

Интервал времени до повторной попытки доступа после коллизии определяется как случайное число интервалов отсрочки (один интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам, т.е. 51,2 мкс). Количество интервалов отсрочки определяется как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале 0..2ⁿ (1<=n<=10) или 0..2¹⁰ (10<n<=16). Здесь n – номер попытки передачи кадра. Если 16 попыток заканчиваются неудачно (порождая коллизии), подуровень MAC отбрасывает кадр и передает верхним уровням сообщение об ошибке.

Основным принципиальным ограничением на параметры сети (диаметр сети, размер пакета и др.) является необходимость надежного распознавания коллизий. Станция, передающая пакет, может определить наступление коллизии только во время передачи кадра. Значит, максимальный диаметр сети должен быть таков, чтобы за время передачи кадра минимальной длины первый его бит успел достичь самой дальней станции и вернуться (возможно, искаженным) обратно. Если искаженный первый бит вернется уже после окончания передачи кадра, передававшая станция не сможет распознать коллизию. Если T_min – время передачи кадра минимальной длины, а RTT – время двойного оборота (round trip time, время, за которое сигнал проходит дважды между наиболее удаленными станциями), то должно выполняться соотношение: T_min ≥ RTT. Ограничения на размер сети в Ethernet параметры подобраны таким образом, чтобы коллизии

31 Ethernet. 10Мбит/с.

Здесь будут рассмотрены четыре топологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с:

10BaseT (Витая пара);

10Base2 (Тонкий коаксиал);

10Base5 (Толстый коаксиал);

10BaseFL (Оптоволокно).

ВаsеТ

В 1990 году IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. l0BaseT (10 — скорость передачи 10 Мбит/с, Base — узкополосная, Т — витая пара) — сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения каких-либо ее параметров.

Большинство сетей этого типа строятся в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и другие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый (multiport) репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подключается к другому концу кабеля, соединенного с концентратором, и использует две пары проводов: одну — для приема, другую — для передачи.

Максимальная длина сегмента l0BaseT — 100 м (328 футов). Минимальная длина кабеля — 2,5 м (около 8 футов). Сеть l0BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.

Кабель	Категоря 3,4 или 5 UTP
Соединители	RJ-45 на концах кабеля
Расстояние между сегментами	100м максимум по спецификации IEEE 802.3, но как показала практика, это не предел
Магистраль для соединения маршрутизаторов	По спецификации коаксиальный или оптоволоконный кабель для объединения в крупные ЛВС (на практике всё происходит совсем по другому:))
Общее число компьютеров в ЛВС без применения специальных компонентов, увеличивающих это количество	По спецификации - до 1024

Base2

В соответствии со спецификацией IEEE 802.3 эта топология называется 10Base2 [10 -скорость передачи 10 Мбит/с, Base — узкополосная передача, 2 — передача на расстояние, примерно в два раза превышающее 100 м (фактическое расстояние 185 м)].

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель, или тонкий Ethernet, с максимальной длиной сегмента 185 м. Минимальная длина кабеля 0,5 м (20 дюймов). Кроме того, существует ограничение на максимальное количество компьютеров, которое может быть размещено на 185-метровом сегменте кабеля, — 30 штук.

Компоненты кабеля «тонкий Ethernet»:

BNC баррел-коннекторы;
BNC Т-коннекторы;
BNC-терминаторы.

Сети на тонком Ethernet обычно имеют топологию «шина». Стандарты IEEE для тонкого Ethernet не предусматривают использования кабеля трансивера между Т-кон-нектором и компьютером. Вместо этого Т-коннектор располагают непосредственно на плате сетевого адаптера.

BNC баррел-коннектор, соединяя сегменты кабеля, позволяет увеличить его общую длину. Например, Вам нужен кабель длиной 30 м, а у Вас есть сегменты тонкого кабеля по 20 и 5 м. Соедините двумя баррел-коннекторами эти сегменты, чтобы получить кабель нужной длины. Однако использование баррел-коннекторов желательно свести к минимуму, поскольку они ухудшают качество сигнала.

Сеть на тонком Ethernet — экономичный способ реализации сетей для небольших отделений и рабочих групп. Используемый в такого типа сетях кабель:

относительно недорогой;
прост в установке;
легко конфигурируется.

По спецификации IEEE 802.3, сеть на тонком Ethernet может поддерживать до 30 узлов (компьютеров и репитеров) на один кабельный сегмент.

Максимальнальная длина сегмента	185 м (607 футов)
Соединение с сетевой картой	BNC T-коннектор
Количество магистральных сегментов и репитеров	5 сегментов на 4-х репитерах
Максимальное количество компьютеров на сегмент	По спецификации - 30
Количество сегментов, к которым могут быть подключены компьютеры	Три сермента из пяти (один репитер используется только для усиления сигнала)
Максимальнальная общая длина сети	925 м (3035 футов)
Общее число компьютеров в ЛВС без применения специальных компонентов, увеличивающих это количество	По спецификации - до 1024

Сейчас сети на коаксиальных кабелях морально устарели.

Base5

В соответствии со спецификацией IEEE эта топология называется 10Base5 [10 — скорость передачи 10 Мбит/с, Base — узкополосная передача, 5 — сегменты по 500 м (5 раз по 100 м)]. Известно и другое ее название - стандартный Ethernet.

Сети на толстом коаксиальном кабеле (толстый Ethernet) обычно используют топологию «шина». Толстый Ethernet может поддерживать до 100 узлов (рабочих станций, репитеров и т.д.) на магистральный сегмент. Магистраль, или магистральный сегмент, — главный кабель, к которому присоединяются трансиверы с подключенными к ним рабочими станциями и репитерами. Сегмент толстого Ethernet может иметь длину 500 м при общей длине сети 2500 м (8200 футов).

Расстояния и допуски для толстого Ethernet больше, чем для тонкого Ethernet.

Компоненты кабельной системы:

Трансиверы.
Трансиверы, обеспечивая связь между компьютером и главным кабелем ЛВС, совмещены с «зубом вампира»(это коннектор такой), соединенным с кабелем.
Кабели трансиверов.
Кабель трансивера (ответвляющийся кабель) соединяет трансивер с платой сетевого адаптера.
DIX-коннектор, или AUI-коннектор. Этот коннектор расположен на кабеле трансивера.
Коннекторы N-серии (в том числе баррел-коннекторы) и терминаторы М-серии.

Компоненты толстого Ethernet работают так же, как компоненты тонкого Ethernet.

Максимальнальная длина сегмента	500 м (1650 футов)
Соединение с сетевой картой	BNC T-коннектор
Количество магистральных сегментов и репитеров	5 сегментов на 4-х репитерах
Количество сегментов, к которым могут быть подключены компьютеры	Три сермента из пяти (один репитер используется только для усиления сигнала)
Максимальнальная общая длина сети	2500 м (8200 футов)
Общее число компьютеров на сегмент	По спецификации - до 100

Также возможно комбинирование толстого и тонкого Ethernet. Толстый хорошо подходит в качестве магистрали, а для ответвления применяют тонкий кабель.

Сейчас сети на коаксиальных кабелях морально устарели.

BaseFL

10BaseFL (10 - скорость передачи 10 Мбит/с, Base - узкополосная передача, FL - оптоволоконный кабель) представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным кабелем.

Основная причина причина популярности 10BaseFL - возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например между зданиями). Максимальная длина сегмента 10BaseFL - 2000м.

Технология Fast Ethernet

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30.

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 4.4). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

· волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

· витая пара категории 5, используются две пары;

· витая пара категории 3, используются четыре пары.

Сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet.

Это обстоятельство не препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор).

Рис. 4.4 Отличия технологии Fast Ethernet

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже - меняется как количество проводников, так и методы кодирования.

Официальный стандарт 802.3и установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

- 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

- 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

- 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.

- Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

- Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа, измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.

- Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с).

Физический уровень включает три элемента:

- уровень согласования (reconciliation sublayer);

- независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII);

- устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МII.

Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 4.4):

- подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet);

- подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;

- подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс МII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY.