Понимание, как работают локальные сети, включая фрэймовые
компоненты, адресацию Ethernet, операционные характеристики – очень важно для
изучения сетевых технологий. Эта лекция описывает базовые операции сети Ethernet
и передачу по ней фрэймов.
Ethernet
Ethernet был разработан в 1970-ом году компаниями Digital
Equipment Corporation (DEC), Intel, и Xerox, и был назван DIX Ethernet. Позже он
был назван «тонкий» Ethernet из-за использования тонкого коаксиального кабеля,
скорость передачи была 10 Mbps. Стандарт Ethernet был доработан в 80-х годах для
увеличения пропускной способности, новая версия была названа Ethernet-II.
Институт электрического и электронного проектирования(IEEE) – организация,
определяющая сетевые стандарты. Стандарты IEEE - преобладающие и наиболее
известные LAN-стандарты в мире на сегодняшний день. Когда, в середине 80-х, IEEE
определила новые стандарты для Ethernet для публичного использования, тогда этот
стандарт назвали Ethernet 802.3.Он был основан на методе CSMA/CD – множественный
доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Этот метод будет описан
ниже. Стандарт Ethernet 802.3 описывает физический уровень модели OSI и часть
2-го уровня (MAC-адресация). Сегодня этот стандарт часто называют Ethernet.
Адреса Ethernet
Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или
нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических
адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) зашит на плате сетевого адаптера.
Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает
устройство к среде передачи данных. МАК-адреса представляются группой
шестнадцатеричных чисел, сгруппированными по два или по четыре, например:
00:00:0c:43:2e:08 or 0000.0c43.2e08 Каждая плата сетевого адаптера, который
работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный
МАС-адрес. В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому
устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством,
воспользовавшись его МАС-адресом. Отправляемые источником данные содержат
МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных
сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта
назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом.
Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные
продолжают движение к следующему устройству. Если же адреса совпадают, то
сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне
компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и
каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения. МАК
адрес состоит из двух основных частей:
24-bit Уникальный Идентификатор Организации (OUI): Эта часть
МАК-адреса определяет производителя устройства, присвоение OUI регулирует
организация IEEE. Кроме того, в OUI содержатся несколько групп битов:
Широковещательный бит: Показывает, что фрэйм направлен всем
оконечным устройствам сети.
Бит локальных изменений адреса: Обычно комбинация OUI и 24-битный
адрес станции абсолютно уникальны, однако если адрес был вручную изменён,
этот бит должен быть установлен.
Ethernet стандарты локальных сетей описывают передачу сигналов
по кабелям одновременно на физическом и канальном уровнях модели OSI. IEEE делит
канальный уровень модели OSI на 2 отдельных подуровня:
Логическое управление соединением(LLC): Переходит в сетевой уровень
MAC: Соединяется с физическим уровнем
Подуровень логическим управлением соединением LLC IEEE выделила подуровень LLC, чтобы позволить части канального уровня
функционировать независимо от существующих технологий. Этот уровень обеспечивает
сервис для протоколов сетевого уровня, находящихся выше, когда происходит обмен
данными между МАК-подуровнем и физическим уровнем. Подуровень LLC принимает
участие в процессе инкапсуляции. Заголовок LLC говорит, при получении кадра,
канальному уровню что делать с пакетом. МАК Подуровень МАК
взаимодействует с физическим уровнем. Стандарт IEEE 802.3 определяет МАК-адрес
как уникальный идентификатор различных устройств канального уровня. Подуровень
МАК содержит также таблицу МАК-адресов(физических адресов) устройств. Каждое
устройство должно иметь уникальный МАК-адрес для того, чтобы нормально
функционировать в сети.
Кадры Ethernet
В технологии Ethernet контейнер, в который помещаются данные
для оправки по сети, называется кадр(frame). Он состоит из заголовка,
постинформации и непосредственно передаваемых данных. Структура кадра
Ethernet МАК-уровня:
Преамбула: Состоит из 7-байтов с перемежающимися значениями 0 и 1.
Используется для синхронизации передачи данных между устройствами в сети.
Начальный разделитель (SOF): 1 байт. Это поле содержит биты,
говорящие принимающему компьютеру, что далее будет передаваться кадр, и вся
последующая информация будет его частью.
Адрес назначения: 6 байтов. Содержит адрес платы сетевого адаптера
компьютера в локальной сети, которому должен быть послан пакет.
Адрес источника: 6 байтов. Содержит адрес сетевой платы компьютера,
отправившего информацию.
Длина/Тип: 2 байта. В Ethernet II содержит код, определяющий
протокол сетевого уровня. В 802.3 это поле определяет размер поля данных.
Информация протокола содержится в поле 802.2, подуровня LLC. Спецификация
802.3 постепенно позволила использование идентификаторов протокола без
использования поля 802.2.
Данные и заполнение: 46-1500 байт. Содержит данные, полученные от
сетевого уровня передающего компьютера. Эти данные на компьютере-получателе
передаются аналогичному протоколу. Если данных сильно мало, сетевая плата
«заполняет» это поле до его минимального размера 46 байт.
Контрольная последовательность кадра(FCS): Представляет механизм
проверки правильности доставленной информации.
Адресация кадров Ethernet
Передача данных в сети может быть 3-х типов:
одноадресная(unicast), многоадресная(multicast), широковещательная(broadcast).
Одноадресная (Unicast) : Тип передачи, при котором кадр
пересылается от хоста к какому-то определённому месту назначения, т.е. в
передаче участвуют один отправитель и один приёмник. Этот тип передачи
наиболее распространён в локальных сетях и в Интернет.
Широковещательная(broadcast) : Тип передачи, при которой кадры
передаются от одной станции по всем существующим адресам. Т.о. один передающий
компьютер отправляет информацию всем подключенным к сети. Широковещательная
передача необходима при отправке одного сообщения всем компьютерам локальной
сети. В режиме широковещания используется канальный адрес пункта назначения,
состоящий из всех единичек (FFFF. FFFF. FFFF — в шестнадцатеричной системе). К
примеру, если станция А передает кадр, используя в качестве адреса пункта
назначения адрес, состоящий из всех единичек, то станции В, С и D должны
принять этот кадр и передать его верхним уровням для дальнейшей обработки.
Широковещание может серьезно влиять на производительность станций, излишне
отвлекая их. По этой причине широковещание должно применяться, только если
МАС-адрес не известен или если данные предназначаются для всех станций.
Многоадресная(Multicast): Передача, при которой адресом назначения
является группа устройств или клиентов. Клиенты многоадресной передачи должны
быть объединены в мультикастные группы.
Роль CSMA/CD в Ethernet
Чтобы использовать принцип коллективной работы со средой
передачи данных, в Ethernet применяется протокол множественного доступа с
контролем несущей и обнаружением коллизий(carrier sense multiple
access/collision detection, CSMA/CD), Использование протокола CSMA/CD
позволяет устройствам договариваться о правах на передачу. GSMA/CD является
методом доступа, который позволяет только одной станции осуществлять передачу в
среде коллективного использования. Задачей стандарта Ethernet является
обеспечение качественного сервиса доставки данных. Не все устройства могут
осуществлять передачу на равных правах в течение всего времени, поскольку это
может привести к возникновению коллизии. Однако стандартные сети Ethernet,
использующие протокол CSMA/CD, учитывают все запросы на передачу и определяют,
какие устройства могут передавать в данный момент и в какой последовательности
смогут осуществлять передачу все остальные устройства, чтобы все они получали
адекватное обслуживание. Перед отправкой данных узел "прослушивает" сеть, чтобы
определить, можно ли осуществлять передачу, или сеть сейчас занята. Если в
данный момент сеть никем не используется, узел осуществляет передачу. Если сеть
занята, узел переходит в режим ожидания. Возникновение коллизий возможно в том
случае, если два узла, "прослушивая" сеть, обнаруживают, что она свободна, и
одновременно начинают передачу. В этом случае возникает коллизия, данные
повреждаются и узлам необходимо повторно передать данные позже. Алгоритмы
задержки определяют, когда конфликтующие узлы могут осуществлять повторную
передачу. В соответствии с требованиями CSMA/CD, каждый узел, начав передачу,
продолжает прослушивать" сеть на предмет обнаружения коллизий, узнавая таким
образом о необходимости повторной передачи. Метод CSMA/CD работает следующим
образом: если узел хочет осуществить передачу, он проверяет сеть на предмет
того, не передает ли в данный мент другое устройство. Если сеть свободна, узел
начинает процесс передачи. Пока идет передача, узел контролирует сеть,
удостоверяясь, что в этот же момент времени не передает никакая другая станция.
Два узла могут начать передачу почти одновременно, если обнаружат, что сеть
свободна. В этом случае возникает коллизия. Когда передающий узел узнает о
коллизии, он передает сигнал "Наличие коллизии", делающий конфликт достаточно
долгим для того, чтобы его могли распознать все другие узлы сети. После этого
все передающие узлы прекращают отправку кадров на выбираемый случайным образом
отрезок времени, называемый временем задержки повторной передачи. По
истечении этого периода осуществляется повторная передача. Если последующие
попытки также заканчиваются неудачно, узел повторяет их до 16 раз, после чего
отказывается от передачи. Время задержки для каждого узла разное. Если различие
в длительности этих периодов задержки достаточно велико, то повторную передачу
узлы начнут уже не одновременно. С каждой последующей коллизией время задержки
удваивается, вплоть до десятой попытки, тем самым уменьшая вероятность
возникновения коллизии при повторной передаче. С 10-й по 16-ю попытку узлы время
задержки больше не увеличивают, поддерживая его постоянным.
Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
