Второй уровень базовой OSI модели — Канальный уровень. Он подразделяется на подуровень управления доступом к среде MAC и на подуровень управления логическим каналом LLC. Подуровень MAC составляет неотъемлемую часть стандарта FDDI. Стандартом MAC для FDDI определяются следующие службы:
— связи между станциями посредством передачи маркеров и кадров;
— равноправного управления доступом к среде через использование временного протокола обращения маркера TTRP (timed token rotation protocol);
— создания маркеров и кадров;
— передачи, получения, повторения, удаления кадров и маркеров из кольца;
— механизмов обнаружения ошибок;
— инициализации кольца;
— изоляции неисправных станций и участков кольца и др.
Маркеры и кадры
Между станциями, объединенными в сеть FDDI, устанавливается логическое кольцо связи, по которому циркулируют маркер и кадры. Главный принцип кольца состоит в том, чтобы станции повторяли кадры, идущие от вышестоящих соседей к нижестоящим. Главная функция станции — определить, какая станция в данный момент имеет контроль доступа к среде. MAC занимается планированием по предоставлению возможности станциям передавать данные.
На рис. 6.20 а показан формат кадра FDDI. Назначения полей следующие:
— Преамбула РА. Любой кадр должен предваряться преамбулой, состоящей, как минимум, из 16 символов idle (I). Эта последовательность предназначена для вхождения в синхронизм генератора RCRCLK, обеспечивающего прием последующих символов кадра.
— Начальный ограничитель 3D. Состоит из пары символов JK, которые позволяют однозначно определить границы для остальных символов кадра.
— Поле управления FC. Идентифицирует тип кадра и детали работы с ним. Имеет 8-битовый формат и передается с помощью двух символов. Состоит из подполей, обозначаемых как CLFFZZZZ, которые имеют следующее назначение:
- — С — тип графика кадра — синхронный (значение 1) или асинхронный (значение 0);
- — L — длина адреса кадра (2 или б байт);
- — FF — тип кадра, может иметь значение 01 для обозначения кадра LLC (пользовательские данные) или 00 для обозначения служебного кадра МАС-уровня. Служебными кадрами МАС-уровня являются кадры трех типов — кадры процедуры инициализации кольца Claim Frame, кадры процедуры сигнализации о логической неисправности Beacon Frame и кадры процедуры управления кольцом SMT Frame;
— ZZZZ — детализирует тип кадра.
— Адрес назначения DA — идентифицирует станцию (уникальный адрес) или группу станций (групповой адрес), которой(ым) предназначен кадр. Может состоять из 2-х или 6-ти байт.
— Адрес источника SA — идентифицирует станцию, сгенерировавшую данный кадр. Поле должно быть той же длины, что и поле адреса назначения.
— Информация INFO — относится к операции, указанной в поле управления. Поле может иметь длину от 0 до 4478 байт (от 0 до 8956 символов). Стандарт FDDI допускает размещение в этом поле маршрутной информации алгоритма Source Routing, определенной в стандарте 802.5. При этом в два старших поля адреса источника SA помещается комбинация 102 — групповой адрес, комбинация, не имеющая смысла для адреса источника, а обозначающая присутствие маршрутной информации в поле данных.
— Контрольная последовательность FCS — 32-битная последовательность, вычисленная по стандартному методу CRC-32, принятому и для других протоколов IEEE 802. Контрольная последовательность охватывает поля FC, DA. SA, INFO и FCS.
— Конечный ограничитель ED — символ Terminate (Т), обозначающий границу кадра. Однако за ним располагаются еще признаки статуса кадра.
— Статус кадра FS. Первые три признака в поле статуса должны быть индикаторами ошибки (error, E), распознавания адреса (address recognized, А) и копирования кадра (frame copied, С). Каждый из этих индикаторов кодируется одним символом, причем нулевое состояние индикатора обозначается символом reset (R), а единичное — set (S). Стандарт позволяет производителям оборудования добавлять свои индикаторы после трех обязательных.
Маркер состоит, по существу, из одного значащего поля — поля управления FC, которое содержит в этом случае 1 в поле С и 0000 в поле ZZZZ, рис. 6.20 б.
Рис. 6.20. Форматы кадра и маркера FDDI
SD — начальный ограничитель (starting delimiter)
FC — поле управления (frame control)
DA — адрес назначения (destination address)
SA — адрес источника (source address)
INFO — информация
FCS — контрольная последовательность (frame check sequence)
ED — конечный ограничитель (ending delimiter)
FS — статус кадра (frame status)
Рис. 4.1.
Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электро- технике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE ) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO / OSI . Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.
На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO / OSI . Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.
Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами . Разделяемая среда ( shared media ) применяется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях, как Ethernet , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , Token Ring , FDDI . Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи , удешевляет сеть , но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.
Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня ( рис. 4.1). Спецификация технологии МАС-уровня определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных ( скорость передачи , вид среды, узкополосная или широкополосная).
Так, протоколу 802.3 , описывающему наиболее известную технологию Ethernet , соответствуют спецификации физического уровня: 10Base-T, 10Base-FB, 10Base-FL . Число 10 показывает, что скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с, Base – система узкополосная. Спецификация 10Base -T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3-й категории и концентратора . Спецификации 10Base -FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. Более ранние спецификации 10Base -5 и 10Base -2 предусматривали использование "толстого" или "тонкого" коаксиального кабеля .
Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:
- 100Base-T4 , где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3-й категории;
- 100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5-й категории;
- 100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.
Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС-уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10 000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring , где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP , с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet , в сетях с передачей маркера ( Token Ring ) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера ( token ). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако Token Ring несовместима с новыми технологиями Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , 10Gigabit Ethernet . Технологии Ethernet и совместимые с ними как раз и рассматриваются в настоящем курсе лекций.
Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC , формат которого приведен на табл. 4.1 .
Флаги определяют границы кадра LLC . В поле данных ( Data ) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point ) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point ) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP , равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть много.
Поле управления ( Control ) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный ( Information ), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт . Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC . Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:
- LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;
- LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;
- LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.
Процедура LLC1 применяется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP .
Процедура LLC2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна . Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие , ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она применяется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS / NetBEUI .
Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP -B сетей Х.25, в протоколе LAP -D сетей ISDN , в протоколе LAP -M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP -F сетей Frame Relay .
Процедура LLC3 задействуется в системах управления технологическими процессами , когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.
Наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.
На передающей стороне кадр LLC -уровня передается на МАС- уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На табл. 4.2 приведен наиболее распространенный формат кадра стандарта 802.3/ LLC .
| Преамбула | SFD | DA | SA | L | DSAP | SSAP | Control | Data | FCS |
| 7 байт | 10101011 | 6 байт | 6 байт | 2 байта | 1 байт | 1 байт | 1 байт | 46-1497 байт | 4 байта |
Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter – SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт . Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address ) и узла источника ( SA – Source Address ). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС- адресов. Они содержат 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов , которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт.
Адрес , состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом ( broadcast ), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.
Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты . Следующие 22 разряда задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит , равный 0, указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – на то, что адрес является групповым. Второй старший бит , равный 0, указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE . В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС- адрес считается плоским ( flat ).
Поле L ( рис. 4.3) определяет длину поля данных Data , которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт , поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт , то оно дополняется до 46 байт .
Поле контрольной суммы ( FCS – Frame Check Sequence ) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода .
4.2. Локальные сети технологии Ethernet
В сетях технологии Ethernet , построенных на основе логической топологии " общая шина ", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей, т. е. реализуется множественный доступ к общей среде. Для передачи данных используется манчестерский код , скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер , у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий (CSMA/CD – Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection ), суть которого объясняется ниже.
При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия , когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации . Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна. Для этого он прослушивает среду. Если какой-либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия , которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию , усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM - сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.
Длительность паузы составляет
T п =T отс xL,
где T отс – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам, т. е. при скорости 10 Мбит/с интервал отсрочки T отс = 51,2 мкс;
L – случайное целое число , выбранное из диапазона , где N – номер повторной попытки передачи узлом данного кадра. N изменяется от 1 до 10. Всего повторных попыток передачи может быть 16, но после 10-ой попытки число N не увеличивается. Таким образом, L может принимать значения от 0 до 1024, а пауза T п = 0 - 52,4 мс. После 16-й неудачной попытки, приведшей к коллизии , кадр отбрасывается.
Длительность передачи кадра Т к должна быть больше максимально возможного времени обнаружения
Протокол подуровня управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) в стандарте 802.11 отличается от аналогичного протокола в проводной сети Ethernet. В Ethernet используется механизм множественного доступа к общему каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Станция может начать передачу, если канал свободен. Если шумовой всплеск не приходит обратно в течение определённого времени, то кадр доставлен корректно. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т.е. работать на приём. В беспроводных сетях такой способ не годится. Существуют в беспроводной сети проблемы скрытой и засвеченной станции. В результате не получается прослушать эфир и осуществить передачу только тогда, когда он никем не занят. Эти проблемы рассмотрим на участках сети, приведенных на рис. 24.3 и 24.4. Мощность передатчиков такова, что радиус действия ограничен только соседними станциями, т.е. A и B, C и B, C и D.
Рассмотрим проблему скрытой станции (рис. 24.3). Станция А передает сообщение станции В. Станция C передаёт сообщение станции B. Если станция С опрашивает канал, то она не будет слышать станцию А, находящуюся вне ее зоны действия. В результате станция С не слышит, что станция В уже занята и начнет передавать сообщение ей. В результате это сообщение исказит сообщение, принимаемое В от А.
Рис. 24.3. Проблема скрытой станции
Рассмотрим проблему засвеченной станции (рис. 24.4). Станция В передает станции А сообщение. Станция С при опросе канала слышит выполняемую передачу и может ошибочно предположить, что она не в состоянии передавать данные станции D. В действительности такая передача создала бы только помехи в зоне от станции В до станции С, где в данный момент не ведется прием.
Рис. 24.4. Проблема засвеченной станции
Для устранения этих проблем в стандарте 802.11 для режима Ad Hoc без точки доступа принят режим CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Сети Ad Hoc должны поддерживать этот протокол. На рис. 24.5 и 24.6 показан пример использования режима CSMA/CA, основанного на протоколе MACAW. Станция D входит в зону действия B, но не входит в зону действия А. Станция С находится в зоне действия А, а также возможно в зоне действия В.
Рис. 24.5. Расположение станций примера использования протокола MACAW
На рис. 24.6. показан принцип работы протокола MACAW для предотвращения коллизий. Станция А посылает станции В кадр RTS запроса разрешения на передачу. Рассмотрим процесс с точки зрения станции А. Если В может принять данные, она отправляет в А подтверждение готовности приема – кадр CTS. После приема CTS станция А запускает таймер АСК и начинает передачу данных. В случае приема неискаженного сообщения станция В передает в А кадр о конце передачи данных АСК.
Рис. 24.6. Принцип работы протокола MACAW для предотвращения коллизий
Рассмотрим процесс с точки зрения станций C и D. Станция С находится в зоне действия А, поэтому она также принимает кадр RTS, в котором указано, сколько времени займет передача данных из А в В. В течение этого времени С считает, что канал занят, и она не должна передавать данные. Индикацией такого состояния является состояние NAV. Станция D не охвачена зоной действия А, а поэтому кадр RTS не поступает к ней. Зато кадр CTS, посланный станцией В поступает в D, которая также выставляет состояние NAV. В результате D считает канал занятым и не передает в течение определенного времени данные в адрес станции В.
Приведем основные поля кадра 802.11:
· поле управления кадром. Указывает тип кадра (информационный, контрольный, управления). Примером информационного кадра являются данные или сообщение о переходе станции в режим работы с пониженным энергопотреблением. Примером контрольного кадра являются приведенные выше кадры RTS, CTS, ACK. Кадры управления используются для управления связью станций и точек доступа (например, кадры аутентификации пользователя или отмены аутентификации);
· поле идентификатор длительности. (например, приведенное выше поле NAV);
· поле адресов. Возможны следующие типы адресов: отправителя, получателя, исходящей ячейки точки доступа, входящей ячейки точки доступа;
· поле данные. Длина данных кадра может достигать 2312 байт. Коэффициент ошибок в канале беспроводных локальных вычислительных сетях БЛВС значительно хуже, чем в проводных ЛВС. Для повышения производительности БЛВС применяется разбиение кадров на фрагменты, которые содержат собственную контрольно-проверочную сумму. Фрагментация повышает производительность путем принудительной повторной пересылки коротких фрагментов, в которых произошла ошибка, а не кадров целиком;
· поле номер позволяет нумеровать фрагменты. Из 16 бит поля 12 идентифицируют кадр, а 4 – фрагмент;
· поле контрольно проверочная комбинация циклического кода.
Канальный уровень (Data Link) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI. Поэтому Канальный уровень должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня: верхний подуровень логической передачи данных LLC – Logical Link Control, являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде MAC – Media Access Control (рис.4.1). Кроме того, на канальном уровне обнаруживают ошибки в передаваемых данных.
Рис. 4.1. Подуровни канального уровня
Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование нижних уровней (канального и физического) семиуровневой модели ISO/OSI. Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.
На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI. Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.
Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами. Разделяемая среда (shared media) используется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи, удешевляет сеть, но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.
Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций ) протоколов физического уровня (рис.4.1). Так протоколу 802.3 , описывающему наиболее известную технологию Ethernet , соответствуют спецификации физического уровня: 10 Base - T , 10 Base - FB , 10 Base - FL . Спецификация 10Base-T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3 категории и концентратора (hub). Спецификации 10Base-FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. В более ранних спецификациях 10Base-5 и 10Base-2 применялся “толстый” и “тонкий” коаксиальные кабели.
Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:
100Base-T4, где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3 категории;
100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5 категории;
100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.
Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring, где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP, с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet в сетях с передачей маркера (Token Ring) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера (token). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако, Token Ring не совместима с новыми технологиями Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet. Технологии Ethernet и совместимые с ними и рассматриваются в настоящем курсе лекций.
Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC, формат которого приведен на рис.4.2.
Рис. 4.2. Формат кадра LLC
Флаги определяют границы кадра LLC. В поле данных (Data) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть очень много.
Поле управления (Control) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный (Information), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт. Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC. Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:
LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;
LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;
LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.
Процедура LLC 1 используется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP.
Процедура LLC 2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна. Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие, ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она используется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS/NetBEUI.
Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP-B сетей Х.25, в протоколе LAP-D сетей ISDN, в протоколе LAP-M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP-F сетей Frame Relay.
Процедура LLC3 используется в системах управления технологическими процессами, когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.
Таким образом, наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.
На передающей стороне кадр LLC уровня передается на МАС-уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На рис.4.3 приведен наиболее распространенный формат кадра 802.3/LLC.
Рис.4.3. Формат кадра Ethernet 802.3/LLC
Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт. Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address) и узла источника (SA – Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. Они содержат по 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, которые «прошиты» в ПЗУ сетевых карт.
Адрес, состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.
Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Следующие 22 разряда, за исключением двух старших, задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит равный 0 указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – адрес является групповым. Второй старший бит равный 0 указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE. В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС-адрес считается плоским (flat).
Поле L (рис.4.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт, поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.
Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода.
Формирование кадров на подуровнях МАС и LLC
В 1980 году в институте IEЕЕ был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей . Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 4.5.
Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.
Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.
Специфика локальных сетей также нашла своё отражение в разделении канального уровня на два подуровня:
Управления логической связью (Logical Link Control, LLC);
Управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот подуровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в распоряжение той или иной станции сети в соответствии с определенным методом доступа. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий подуровень - подуровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различной степенью качества транспортных услуг. В современных ЛС получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные методы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Рисунок 4.5 - Структура стандартов IEEE 802.x
Подуровень LLC
осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи, отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности и реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через подуровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На подуровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием
или отсутствием на этом подуровне процедуры восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого подуровня.
Протоколы подуровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол подуровня MAC может применяться с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.
Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем . Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по назначению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов может быть меньше, равно или больше числа переданных битов. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обработать ошибки и, если нужно, исправить их.
Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень понимает, что при передаче кадра произошла ошибка, и принимает меры (например, игнорирует испорченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке).
Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой более сложную задачу, чем это может показаться на первый взгляд. Один из способов разбиения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных параметров при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, наоборот, будут добавлены новые интервалы.
Поскольку для отметки начала и конца кадра полагаться на временные параметры слишком рискованно, были разработаны другие методы маркировки границ кадров:
Подсчет количества символов;
Использование сигнальных байтов с символьным заполнением;
Использование флаговых последовательностей с битовым заполнением;
Использование запрещенных сигналов физического уровня.
Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления синхронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В прошлом стартовые и стоповые байты отличались друг от друга, но в последнее время большинство протоколов перешло на использование в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым. Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распознает конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что закончился один кадр и начался другой.