Способы организации и передачи данных в сети интернет

когда узел, передававший кадр через концентратор 4, не сделает повторную попытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост передаст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт «А». Все события, связанные с обработкой коллизий портом C, для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, останутся просто неизвестными.

Узлы, образующие один домен  коллизий, работают синхронно, как

единая распределенная электронная  схема.

Рис 3.2.1  – Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  Передача данных в сети Ethernet

1.   Основные принципы передачи данных

Для передачи информации в  сети применяется стандартный код  Манчестер-II. При этом уровень сигнала нулевой, а другой - отрицательный, то есть постоянная составляющая сигнала не равна нулю.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рисунке.

Рис 4.1.1  – Структура пакета сети Ethernet (цифры показывают количество байт)

 

Длина кадра Ethetnet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельная величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

• Преамбула состоит из 3 байт, первые семь из которых, представляют собой код 10101010, а последний восьмой – код 10101011.  В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт называется признаком начала кадра (SFD – start of frame delimiter) и образует отдельное поле пакета
• Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (передатчика) включают по 8 байт. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.
• Поле управления (L/T – Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого плоя не больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программой.
• Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт, то поле данных дополняется байтами заполнения.
• Поле контрольной суммы (FSC – frame cheek sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (СSC)  и служит для проверки правильности передачи пакета.

Таким образом, минимальная  длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта  величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения  сигнала по сети в 512 битовых интервалов. Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поскольку она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть – 1214,4 мкс для Ethernet, 121.44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

 

 

 

4.2  Форматы  кадров

Все данные, передаваемые по сети Ethernet, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Существует несколько  форматов Ethernet-кадра.

• Первоначальный Version I (больше не применяется).
• Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом интернет.
• Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).
• Кадр IEEE 802.2 LLC.
• Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.
• Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN.

В качестве дополнения Ethernet-кадр может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Разные типы кадра  имеют различный формат и значение MTU.

 

Рис 4.2.1 – Наиболее распространенный формат кадра Ethernet II

 

Различия в форматах кадров могут иногда приводить к  несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом, хотя большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет  работать со всеми используемыми  на практике форматами кадров технологии Ethernet.

 

 

 

 

 

 

3.   Определение типа кадра

 

Сети передачи данных зачастую гетерогенны, т.е. одновременно используется несколько протоколов, например TCP/IP и Novell IPX. В этом случае важной задачей является корректное определение типа кадра.

Рис 4.3.1. – Протоколы и соответствующие типы кадров

 

Отличить один формат кадра Ethernet от другого не представляет большого труда, и сделать это можно  с помощью следующего простого алгоритма (рис. 4.3.2). Сначала драйвер должен проверить значение поля типа протокола/длины кадра (13-й и 14-й байты в заголовке). Если записанное там значение превышает 0x05FE (максимально возможная длина кадра), то это кадр Ethernet. Если нет, следует продолжить проверку. Если первые два байта равны OxFFFF, то это формат Ethernet802.3 для  NetWare 3.x. В противном случае это стандартный формат кадра 802.2, и нам остается только выяснить, какой из двух – обычный (Ethernet802.2) или расширенный (EthernetSNAP). В случае EthernetSNAP значение первого, впрочем, как и второго, байта в поле данных равняется ОхАА. (Значение третьего байта равняется 0x03, но это проверять излишне.)

Рис 4.3.2 – Блок-схема определения типа кадра

 

 

 

 

4.   Процедура передачи кадра

 

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

 

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 4.4.1. первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком. 
Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

 

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1. В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

 

Рис 4.4.1. – процедура передачи кадра

Учитывая все выше сказанное, можно составить алгоритм передачи кадра в сети:

1. При первой попытке  прослушивается сеть, и при отсутствии  других сигналов начинается передача  пакета при соблюдении

времени IPG и отсутствии коллизий.

2. Если в процессе передачи  возникла коллизия и она обнаружена, то станция, обнаружившая ее, посылает  специальный сигнал предупреждения, называемый пробкой. «Пробка»  содержит 32 бита. Пакеты, пострадавшие от коллизий – уничтожаются.

3. После некоторой случайной  задержки производится следующая  попытка передачи пакета. Всего  таких попыток – 16. С увеличением  номера попытки увеличивается  интервал времени ожидания.

4. После шестнадцатой  неудачной попытки передача пакета прекращается, и управление от сетевой карты передается компьютеру.

5. Все дальнейшие действия  осуществляются под руководством  протоколов верхних уровней.

 

 

 

 

5.   Мас- адрес 

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно  как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что  каждый производитель получает в  координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Существуют таблицы, позволяющие определить производителя по MAC-адресу; в частности, они включены в программы типа arpalert.

Некоторое время назад, когда сетевые карты  не позволяли изменить свой MAC-адрес, некоторые провайдеры Internet использовали его для идентификации машины в сети при учёте трафика. Но все  современные сетевые платы позволяют  программно изменить MAC-адрес, однако если плата будет обесточена, то восстановится  исходный MAC-адрес. Программы из Microsoft Office, начиная с версии Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый  документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Методы доступа в сети Ethernet

       5.1 Метод доступа CSMA/CD 

 

В сетях Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

 

Этот метод применяется  исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 5.1.1). Простота схемы подключения – это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

 

Рис  5.1.1. – Метод случайного доступа CSMA/CD

 

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра.  Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что их получают все узлы сети. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011.

Преамбула нужна для вхождения  приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

 

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

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята – на ней присутствует несущая частота, поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

 

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго

одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1. В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.