Структура стандартов IEEE 802.x. Общие определения ЛВС, связь с моделью ISO/OSI

802.1

Общие определения ЛВС, связь с моделью ISO/OSI

Раздел 802.1D - назначение и реализация мостов.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Канальный 802.2

уровень Логические процедуры передачи кадров

LLC и связь с сетевым уровнем

 

802.3 802.5

MAC Ethernet[CSMA/CD] TokenRing

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Физический

уровень

 

"Толстый" 10BASE-5 Экранированная

коаксиал витая пара (STP)

4 Мбайт/с 16 Мбайт/с

"Тонкий" 10BASE-2

коаксиал

 

Неэкранированная 10BASE-T

витая пара (UDP)

 

Оптоволокно 10BASE-F

 

Витая пара, 100BASE-T

оптоволокно

 

Стандарты семейства IEEE 802.х охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI - физический и канальный, так как они в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.

 

Канальный уровень делится на два подуровня:

Уровень МАС (Media Access Control) - уровень управления доступом к среде. Обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. В современных сетях получили распространение несколько протоколов уровня МАС, реализующие разные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику различных технологий.

Уровень LLC (Logical Link Control) - уровень логической передачи данных. Отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения.

Протоколы уровней МАС и LLC взаимно независимы - каждый протокол уровня МАС может применяться с любым протоколов уровня LLC и наоборот.

 

Протокол LLC уровня управления логическим каналом (802.2)

 

Протоколы сетевого уровня передают через межуровневый интерфейс данные для протокола LLC - свой пакет (например IP, IPX, NetBEUI), адресную информацию об узле назначения, а также требования к качеству транспортных услуг, которое протокол LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется необходимыми служебными полями. Далее через межуровневый интерфейс протокол LLC передает свой кадр вместе с адресной информацией об узле назначения соответстующему протоколу уровня MAC, который упаковывает кадр LLC в свой кадр (например, кадр Ethernet).

В основу протокола LLC положен протокол HDLC (High-level Data Link Control), являющийся стандартом ISO и обобщающий несколько близких стандартов, характерных для различных технологий.

 

В соответствии со стандартом 802.2 уровень LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

LLC1 - процедура без установления соединения и без подтверждения (дейтаграмный режим работы). Обычно используется, когда восстановление данных после ошибок выполняется протоколами более высоких уровней.

LLC2 - процедура с установлением соединения и подтверждением.

LLC3 - процедура без установления соединения, но с подтвреждением.

Использование одного из трех режимов работы зависит от стратегии разработчиков конкретного стека протоколов. В стеке TCP/IP всегда используется режим LLC1, который просто извлекает из кадра и демультиплексирует пакеты различных протоколов - IP, ARP, RARP. Аналогично в стеке IPX/SPX. Стек Microsoft/IBM, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEU часто использует режим LLC2.

 

По своему назначению все кадры уровня LLC (называемые в стандрате 802.2 Protocol Data Unit, PDU) разделяются на три типа:

n Информационные кадры (Information) предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения LLC2 и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информации осуществляется из нумерация в режиме скользящего окна.

n Управляющие кадры (Supervisory) предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения LLC2, в том числе запросов на повторную передачу искаженны информационных блоков.

n Ненумерованные кадры (Unnumbered) предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирования. В процедурах с установлением логического соединения LLC2 - установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

 

Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат:

 

Флаг

Адрес точки входа службы назначения (DSAP)

Адрес точки входа службы источника (SSAP)

Управляющее поле (Control)

Данные (Data)

Флаг

 

Флаги используются на уровне МАС для определения границ кадра LLC, когда кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д.

 

Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней – сетевых протоколов IP, IPX и т.п. или в редких случаях прикладных протоколов, когда те вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня.

 

Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил всей пакет в поле данных поступившего кадра, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу верхнего уровня для последующей обработки. Для идентификации этих протоколов вводятся адреса точки входа службы Service Access Point, SAP. Значения адресов SAP приписываются протоколам в соответствии со стандартом 802.2. Например, для IP значение SAP равно 0х6, для NetBIOS – 0хF0. Возможны варианты, когда задается только один SAP и для приемника и для источника, и когда указываются различные DSAP и SSAP.

 

Поле управления (1 или 2 байта)

 

Разряды поля управления

Тип кадра

Информационный (Information)

N(S)

P/F

N(R)

Управляющий (Supervisory)

S

-

-

-

N(R)

Ненумерованный (Unnumbered)

M

P/F

M

 

В режиме LLC1 используется только один тип кадра – ненумерованный, у которого поле управления имеет длину один байт. Все подполя этого поля принимают значение 0, кроме первых двух битов, которые используются как признак типа кадра. Учитывая, что в протоколе Ethernet при записи реализован обратный порядок бит в байте, то запись поля управления кадра LLC1, вложенного в кадр протокола Ethernet имеет значение 0х03.

 

В режиме LLC2 используются все три типа кадров, которые делятся на команды и ответы на эти команды.

Бит P/F (Poll/Final) имеет следующее значение:

- в командах он называется битом Poll и требует, чтобы на команду был дан ответ;

- в ответах он называется битом Final и говорит о том, что ответ состоит из одного кадра.

 

Ненумерованные кадры используются на начальной стадии взаимодействия двух узлов – на стадии установления соединения по протоколу LLC2. Поле М ненумерованных кадров определяет несколько типов команд, которыми пользуются два узла на этапе установления соединения.

После установления соединения данные и положительные квитанции начинают передаваться в информационных кадрах. Логический канал LLC2 является дуплексным. Если поток дуплексный, то положительные квитанции на кадры также доставляются в информационных кадрах. Если поток полудуплексный или нужно передать отрицательную квитанцию, то используются супервизорные кадры.

Поле N(S) в информационных кадрах используется для указания номера отправленного кадра, N(R) – для указания номера кадра, который приемник ожидает получить от передатчика следующим. При работе LLC2 используется скользящее окно размером 127 кадров с нумерацией от 0 до 127.

Приемник помнит номер последнего кадра, принятого от передатчика, и поддерживает переменную с указанным номером кадра, который он ожидает получить от передатчика V(R). Этот номер указывается в поле N(R) кадра, посылаемого передатчику. Если в ответ на этот кадр приемник принимает кадр, в котором в поле N(S) не совпадает с V(R), то этот кадр отбрасывается и посылается отрицательная квитанция Отакз(REJ) с номеров V(R). При приеме отрицательной квитанции передатчик обязан повторить передачу кадра с этим номером, а также всех остальных, которые он успел передать после этого кадра.

Супервизорные кадры:

- Отказ (REJect)

- Приемник не готов (Receiver Not Ready, RNR)

- Приемник готов (Receiver, RR)

 

Технология Ethernet (802.3)

Метод доступа CSMA/CD

 

 

Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD)

 

Этапы доступа к среде:

 

1. Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

2. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала (несущая частота, при манчестерском коде 5-10 МГц, в зависимости от последовательности нулей и единиц).

3. Если среда свободна, узел начинает передавать свой кадр в обе стороны, так что все узлы их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт вида 10101010 и 8-го байта вида 10101011.

4. Все станции подключенные к кабелю могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает ответ. Адрес станции источника также содержится в исходном кадре.

5. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Она нужна для приведения адаптера в исходное состояния и для предотвращения захвата среды одной станцией.

 

Возникновение коллизий

 

Две станции могут начать передавать сигнал одновременно (сигнал одной из начавших передавать станций не дошел до второй), решив, что среда свободна, - коллизия. Содержимое обоих кадров сталкивается в кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования Ethernet не позволяют выделить сигналы каждой станции из общего сигнала.

Все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит - jam-последовательность, усиливающую ситуацию коллизии. После этого станция, обнаружившая коллизию, делает паузу в течение короткого случайного интервала времени.

 

Пауза = L x (интервал отсрочки),

 

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (интервал между появлениями двух последовательных бит данных на кабеле, для 10 Мбит/с он равен 0,1 мкс). L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1, 2,.... 10. После 10-ой попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается - от 0 до 52,4 мс. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик прекращает попытки и отбрасывает этот кадр.

 

Время двойного оборота и распознавание коллизий

 

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр будет утерян.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

 

Tmin >= PDV,

 

где Tmin - время передачи кадра минимальной длины, а PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети, то это время называется времени двойного оборота (Path Delay Value).

Выполнение этого условия зависит от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а также от длины кабельной системыи скорости распространения сигнала в кабеле.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт, вместе со служебными полями - 64 байта, вместе в преамбулой - 72 байта или 576 бит.

В 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервала, значит время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13280 м. С учетом двойного прохода сигнала расстояние между узлами станции не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого ограничения существенно меньше из-за других, более строгих ограничений, например, ограничений по затуханию сигнала. Длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Эта величина выбрана с учетом возможности создания многосегментных сетей с помощью повторителей, которые усиливают сигнал. В коаксиальных реализациях число сегментов ограничено пятью, и, следовательно, суммарная длина сети составляет 2500 м. Большой запас обусловлен тем, что сами повторители вносят задержку.

С увеличением скорости передачи кадров в новых стандартах, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet это 210 м, в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы равно 25 метров, если бы разработчики не приняли специальных мер по увеличению минимального размера пакета.

 

Параметры уровня МАС Ethernet, не зависящие от реализации физической среды.

 

Битовая скорость	10 Мбит/с
Интервал отсрочки	512 битовых интервалов
Межкадровый интервал (IPG)	9,6 мкс
Максимальное число попыток передачи
Максимальное число возрастания диапазона паузы
Длина jam-последовательности	32 бита
Максимальная длина кадра (без преамбулы)	1518 байт
Минимальная длина кадра (без преамбулы)	64 байта (512 бит)
Длина преамбулы	64 бита
Минимальная длина случайной паузы после коллизии	0 битовых интервала
Максимальная длина случайной паузы после коллизии	524000 битовых интервала
Максимальное расстояние между станциями сети	2500 м
Максимальное число станций в сети

 

Максимальная производительность сети Ethernet

 

На основе приведенной выше таблицы рассчитаем чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в деалном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами, коммутаторами и маршрутизаторами.

Размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байта или 576 бит. Н его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавим межкадровый интервал 9,6 мкс получим, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/c. Наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий.

Кадры максимальной длины вместе с преамбулой составляют 1526 байт или 12208 бит. Максимально возможноя пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимально возможной длины - 813 кадр/с.

При работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы заметно снижается.

Полезная пропускная способность - скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Она всегда меньше номинальной битовой скорости из-за:

* служебной информации кадра

* межкадровых инфорвалов

* ожидания доступа к среде.

 

Для кадров минимальной длины: Сп = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/c.

Для кадров максимальной длины: Сп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с.

При использовании кадров среднего размера с полем данных 512 байт пропускная способность сети составляет 9,29 Мбит/c.