Методы передачи данных в локальных сетях

Методы передачи данных в локальных сетях

Существуют два основных способа передачи данных в локальных сетях: Ethernet и маркерное кольцо (token ring). Они стандартизованы в IEEE комитетами 802 и Project 802. Ethernet описан как стандарт локальных сетей в спецификациях IEEE 802.3, а маркерное кольцо - в спецификациях IEEE 802.5. Оба способа используются широко, однако число инсталляций с применением Ethernet больше, поскольку этот метод имеет самые широкие возможность для расширения и реализации высокоскоростных технологий. Также в данном разделе описан третий метод передачи данных в локальных сетях - Fiber Distributed Data Interface, FDDI (Распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам), представляющий собой модификацию маркерного кольца для высокоскоростных коммуникаций.

Стандарт Ethernet использует преимущества шинной и звездообразной то) пологий. На момент написания книги скорости передачи по сетям Ethernet составляли: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. В стандарте Ethernet используется метод управления доступом под названием Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA CD (Множественный доступ контролем несущей и обнаружением конфликтов). CSMA CD - это алгоритм передачи и декодирования форматированных фреймов данных. С помощью данного алгоритма посылающий узел сети Ethernet инкапсулируя фрейм и готовит его для передачи. Все узлы, стремящиеся отправить фрейм в кабель, соревнуются между собой. Ни один узел не имеет преимуществ перед другими узлами. Узлы прослушивают наличие пакетов в кабеле. Если обнаруживается передаваемый пакет, то узлы, не стоящие в очередь на передачу, переходят в режим "ожидания".

Протокол Ethernet в каждый момент времени позволяет только одному узлу работать на передачу. Для передачи генерируется сигнал несущей частот Контроль несущей - это процесс проверки коммуникационного кабеля на наличие определенного напряжения, указывающего на наличие сигнал передающего данные. Если в течение заданного интервала времени в среде передачи отсутствует информационный сигнал, любой узел может начать передачу данных.

Иногда несколько узлов начинают передачу одновременно, что приводит к конфликту. Передающий узел обнаруживает конфликт, проверяя уровень сигнала. В случае конфликта сигнал по крайней мере в два раза превышает нормальный. Для разрешения конфликтов пакетов передающий узел использует программный алгоритм обнаружения конфликтов. Этот алгоритм разрешает станциям, отправляющим пакеты, продолжать передачу в течение установленного промежутка времени. При этом передается сигнал помехи, состоящий из двоичных единиц, и по этому сигналу все слушающие сеть узлы определяют наличие конфликта. Затем на каждом узле программно генерируется случайное число, которое используется как время ожидания для начала следующей передачи. Такой подход является гарантией того, что два узла не начнут одновременно повторную передачу данных.

При передаче фреймов заданному узлу используются физические адреса. Каждая станция и сервер имеет уникальный адрес Уровня 2, связанный с сетевым адаптером (network interface card, NIC). Этот адаптер соединяет станцию или сервер с сетевым коммуникационным кабелем. Адрес "зашивается" в микросхему ПЗУ, расположенную на адаптере.

Компьютерная логика, выполняющая описанные выше функции, реализована в виде программ и соответствующих файлов, называемых сетевыми драйверами. Каждый сетевой адаптер требует наличия специальных сетевых драйверов, соответствующих методу доступа к сети, формату инкапсулируемых данных и способу адресации. Драйвер устанавливается на компьютере.

Данные, передаваемые в стандарте Ethernet, помещаются во фреймы (рис. 1). Каждый фрейм состоит из строго определенных фрагментов (полей). Первый фрагмент - заголовок (preamble), имеет длину 56 бит. Заголовок синхронизирует передачу фрейма и состоит из перемещающейся последовательности нулей и единиц. Следующее поле - 8-битный разграничитель фреймов (называемый SFD или SOF). Признак начала фрейма имеет значение 10101011 и указывает на то, что далее во фрейме следует адресная информация. За этим признаком помещаются два адресных поля, содержащих адреса назначения и источника. Согласно рекомендациям IEEE 802.3, адресные поля могут иметь длину 16 или 48 бит (обычно 48). Имеются два адреса: адрес источника (source address, SA), представляющий собой адрес передающего узла, и адрес назначения (destination address, DA), являющийся адресом принимающего узла. Далее 16-битное поле указывает длину поля данных (идущего следом).

Раздел данных во фрейме идет вслед за полем длины. Длина инкапсулированных данных должна быть кратна 8 (одному байту). Если реальные данные имеют длину менее 368 бит или не кратны 8, добавляется поле-заполнитель.

Длина поля данных с заполнителем может быть от 368 до 12 000 бит (или от 46 до 1500 байт). Последний фрагмент фрейма - поле контрольно последовательности (суммы) фрейма (frame check sequence, FCS), имеющее длину 32 бита. Для обнаружения ошибок это поле содержит значение дм контроля с помощью циклического избыточного кода (CRC). Это значение вычисляется на основе значений других полей фрейма в момент инкапсуляции данных. При приеме фрейма он пересчитывается заново. Если результат повторного вычисления не совпадает с исходным, генерируется ошибка и принимающий узел запрашивает повторную передачу данного фрейм. Если результаты вычислений совпадают, алгоритм получения контрольно суммы указывает на то, что повторная передача не требуется. Алгоритм CRС определяется стандартом IEEE.

Ethernet II - метод форматирования фреймов Ethernet, используемый в Интернете и других современных сетях, немного отличающихся от традиционного стандарта IEEE 802.3 (однако в настоящее время признанный часть стандарта IEEE 802.3 и описанный в RFC 894), для повышения эффективности сетевых коммуникаций. В фрейме Ethernet II заголовок имеет длим 64 бита и содержит как информацию для синхронизации фреймов, так и признак начала фрейма (SOF). Адреса назначения и источника во фрейм Ethernet II имеют длину точно 48 бит, как показано на рис. 2.

Во фрейме Ethernet II вместо поля длины используется 16-битное поле типа, предназначенное для сетевых коммуникаций более высокого уровня. Поле данных инкапсулируется без поля-заполнителя и его длина в диапазоне от 368 до 12 000 бит. Переменный размер поля используется для улучшенного обнаружения конфликтов пакетов и оптимизации загрузки сети, чтобы длинные пакеты не занимали сеть в течение слишком большого времени. Последнее поле фрейма Ethernet II - 32-битное поле контрольной суммы фрейма (FCS). С помощью этого поля по тому же алгоритму, как и в традиционном стандарте 802.3, выполняется контроль CRC.

Как указано в стандарте IEEE 802.3 для коммуникаций на подуровне LLC канального уровня, оба фрейма (802.3 и Ethernet II) могут содержать три необязательных поля между полем длины или типа и полем данных: поле целевой точки доступа к службе (destination service access point, DSAP), поле исходной точки доступа к службе (source service access point, SSAP) и поле управления. Эти поля позволяют Канальному уровню управлять фреймами и взаимодействовать с более высокими уровнями модели OSI. Поля DSAP и SSAP имеют длину 8 бит. Точки доступа к службе (SAP) позволяют сетевому уровню определять, какой сетевой процесс узла назначения должен получать фрейм. Эти точки представляют такие коммуникационные процессы, как OSI, Novell, NetBIOS, TCP IP, BPDU, управление сетями IBM, XNS и другие. Например, шестнадцатеричное значение ЕО указывает на Novell SAP, а значение 06 - на SAP стека TCP IP. DSAP указывает точку доступа к службе на целевом узле, который должен принимать фрейм, a SSAP идентифицирует точку доступа к службе передающего узла, который отправляет фрейм. Поле управления определяет функцию (назначение) фрейма (например, указывает на то, что фрейм содержит данные или же код ошибки). Это поле может иметь длину 8 или 16 бит.

Кроме этого, стандарт IEEE 802.3 описывает для LLC реализацию протокола SubNetwork Access Protocol, SNAP (Стандартный протокол доступа к сети), также называемого Ethernet SNAP. SNAP используется в качестве способа быстрой адаптации протоколов, которые не полностью соответствуют стандартам 802.3 (например, протокола AppleTalk или протокола LAT компании DEC). Когда для подобных протоколов отсутствуют установленные точки SAP, поля DSAP и SSAP содержат шестнадцатеричное значение АА, которое представляет точку SAP для SNAP-фрейма. Кроме этого, поле управления в SNAP-фрейме содержит шестнадцатеричное значение 03. При создании SNAP-фрейма, поле разделителя протоколов помещается сразу же за полем управления и перед полем данных. Поставщик типа фрейма (например, Apple) идентифицируется первыми тремя байтами поля разделителя протоколов, а тип фрейма Ethernet идентифицируется двумя последними байтами.

Для сетей Ethernet выпускается большое количество оборудования, которое широко поддерживается производителями компьютеров. Одной из причин популярности Ethernet является то, что этот стандарт имеет много решений для реализации высокоскоростных сетей. Например, сети Ethernet с частотой 10 Мбит/с легко модернизировать в сеть Fast Ethernet с частоте 100 Мбит/с, зачастую используя для этого уже установленные сетевые адаптеры и кабельную систему. Кроме того, для сетей Ethernet выпускаете множество средств тестирования и управления. В табл. 1 кратко перечне лены многие из существующих или перспективных стандартов Ethernet имеющихся на момент написания книги.

Таблица 1. Стандарты IEEE 802.3 для сетей Ethem

Метод доступа маркерное кольцо (token ring) был разработан компанией IBM в 1970-х годах и остается одной из основных технологий локальных сетей, хотя уже и не столь популярной, как Ethernet. Скорость передачи данных старых версиях маркерных сетей равна 4 Мбит/с или 16 Мбит/с, а в новых скоростных сетях - 100 Мбит/с. Метод передачи данных в маркерном кольце использует топологию физической звезды в сочетании с логикой кольцевой топологии. Несмотря на то, что каждый узел подключается к центральному концентратору, пакет перемещается от узла к узлу так, будто начальная и конечная точки отсутствуют. Каждый узел соединяется с другими при помощи модуля множественного доступа (Multistation Access Unit, MAU). MAU - это специализированный концентратор, обеспечивающий передачу пакета по замкнутой цепочке компьютеров. Поскольку пакеты движутся по кольцу, на рабочих станциях или в модуле MAU отсутствуют терминаторы.

Специальный фрейм, называемый маркером (token), непрерывно передается по кольцу для определения момента, когда некоторый узел может отправить пакет. Этот фрейм имеет длину 24 бита и состоит из трех 8-битных полей признака начала (starting delimiter, SD), поля управления доступом (access control, АС) и признака конца (ending delimiter, ED). Признак начала - эта комбинация сигналов, отличных от любых других сигналов сети, что предотвращает ошибочную интерпретацию поля. Он выглядит как сигнал отсутствия данных. Эта уникальная комбинация восьми разрядов может распознаваться только как признак начала фрейма (SOF).

Поле управления доступом (8-битное) указывает на то, прикреплен ли к маркеру фрейм, содержащий данные. То есть это поле определяет, несет ли фрейм данные или он свободен для использования некоторым узлом. Признак конца также представляет собой уникальным образом закодированный сигнал отсутствия данных. Его восемь разрядов представляют сигнал, который невозможно спутать с признаком начала или интерпретировать как данные. Эта часть маркера определяет, должен ли узел еще передавать последующие фреймы (идентификатор последнего фрейма). Также она содержит информацию об ошибках, обнаруженных другими станциями.

В большинстве реализаций в кольце может быть только один маркер, хотя спецификации IEEE разрешают применение двух маркеров в сетях, работающих с частотой 16 Мбит/с и выше. Прежде чем некоторый узел начнет передачу, он должен перехватить маркер. Пока активный узел не закончит работу, ни один другой узел не может захватить маркер и передавать данные. Станция, захватившая маркер, создает фрейм, имеющий признак начала и поле управления доступом в начале этого фрейма. Признак конца помещается в конце данного фрейма. Полученный фрейм посылается по кольцу и передается до тех пор, пока не достигнет целевого узла. Целевой узел изменяет значения двух разрядов, указывая на то, что фрейм достиг пункта назначения, и что данные были прочитаны. Затем целевой узел помещает фрейм обратно в сеть, где тот передается по кольцу до тех пор, пока передающая станция не получит этот фрейм и не проверит факт его получения. После этого передающая станция формирует следующий фрейм с маркером и инкапсулированными данными или же создает маркер без данных, возвращая маркер в кольцо для того, чтобы другая станция могла его использовать.

На рис. 3 показан фрейм маркерного кольца с полями маркера, добавленными к полям данных. Первые 16 разрядов занимают поля признака начала и управления доступом. Затем следует поле управления фреймом. Эти поле идентифицирует фрейм как фрейм данных или как фрейм, предназначенный для управления сетью (например, как фрейм, содержащий коды сетевых ошибок). Следующие два поля имеют длину 16 или 48 бит и используются для адресации. Первое поле содержит адрес узла назначения, I второе - адрес исходного узла. Далее идет поле данных маршрутизации (routing information field, RIF), имеющее длину 144 бита или меньшую. Это поле содержит исходные данные маршрутизации, которые могут использоваться на Сетевом уровне модели OSI.

Следующие три поля - поле целевой точки доступа к службе (DSAP), по исходной точки доступа к службе (SSAP) и поле управления (CTRL) имеют такие же функции и размер, как и во фреймах 802.3 и Ethernet II. Поле DSAP определяет точку SAP узла назначения, а поле SSAP указывает, от какой точки доступа данный фрейм был послан, например, Novell или TCP IP. 8- или 16-битное поле управления определяет, содержит фрейм данные или информацию для управления ошибками. Поле данных следует за полем управления. Оно содержит данные или коды ошибок, используемые для управления сетью. Поле данных не имеет предопределенного размера. 32-битное поле контрольной суммы (FCS) применяется для проверки целостности всего фрейма. Как и во фрейме Ethernet, в нем используется алгоритм контроля с избыточным кодированием (CRC), позволяющий гарантировать правильность передачи и получения сигнала. Контрольная сумма в полученном фрейме должна совпадать с посланным значением.

Последняя часть маркера - признак конца - следует за полем контрольной суммы фрейма. Это поле содержит информацию, сообщающую принимающему узлу о достижении конца фрейма. Также поле указывает на то, будет ли послан следующий фрейм из исходного узла или же данный фрейм последний. Кроме того, данное поле может содержать информацию о том, что другие станции обнаружили ошибки во фрейме. Если фрейм содержит ошибку, он удаляется из сети и затем посылается заново передающим узлом.

Последнее поле во фрейме маркерного кольца представляет собой 8-битное поле состояния фрейма. Два разряда этого поля особенно важны для передающего узла: разряд распознавания адреса указывает на то, что целевой узел "увидел" свой адрес, содержащийся во фрейме; разряд копирования фрейма определяет, скопировал ли целевой узел посланный фрейм или же при этом были ошибки.

В каждом маркерном кольце один узел выполняет функции монитора активности (active monitor) или диспетчера. Обычно эти задачи выполняет первая станция, обнаруженная после запуска сети. Диспетчер отвечает за синхронизацию пакетов в сети и за генерацию нового фрейма маркера в случае возникновения проблем. Через интервалы в несколько секунд диспетчер рассылает широковещательный фрейм подуровня MAC, свидетельствующий о работоспособности диспетчера. Широковещательный (broadcast) фрейм или пакет адресуется всем узлам сети. Другие узлы рабочих станций являются резервными диспетчерами. Периодически они генерируют широковещательные фреймы, называемые фреймами наличия резервных диспетчеров, подтверждающие работоспособность узлов и их способность заменить активный диспетчер в случае его отказа.

Если широковещательные посылки от активного или резервных диспетчеров отсутствуют, кольцо переходит в состояние "испускания маяка"(beaconing). Это состояние начинается с того момента, когда некоторый узел генерирует так называемый фрейм маяка (beacon), указывающий на обнаружение некоторой ошибки. Кольцо пытается автоматически устранить ошибку (например, назначая новый активный диспетчер в том случае, если исходный диспетчер вышел из строя). После перехода в состояние испускания маяка передача маркеров с данными прекращается до момента ликвидации проблемы.

Маркерные кольца являются весьма надежной топологией и поэтому они иногда используются в особо важных конфигурациях. Одним из преимуществ маркерного кольца по сравнению с сетями Ethernet является то, что по них редко, возникают "широковещательный шторм" (broadcast storm) или конфликты между рабочими станциями. Широковещательный шторм иногда случается в сетях Ethernet, когда большое количество компьютеров или устройств одновременно пытаются передавать данные или же когда компьютеры или устройства "зацикливаются" на передаче. Также в сетях Ethernet возникают сетевые конфликты, когда неисправный сетевой адаптер продолжает передачу широковещательных пакетов, несмотря на занятость сети. Такие проблемы редко встречаются в маркерных сетях, поскольку в каждый момент времени только один узел может передавать данные.

Стандарт Fiber Distributed Data Interface, FDDI (Распределенный интерфейс передачи данных по оптоволоконным каналам) был разработан в середине 1980-х годов для обеспечения высокоскоростной передачи данных по сетям Ethernet (в то время на частоте 10 Мбит/с) или по маркерным кольцам (с частотой 4 или 16 Мбит/с). Стандарт установлен комитетом ANSI X3T9.5 и обеспечивает метод доступа, позволяющий с большой скоростью передавать информацию по загруженным сетям.

При частоте передачи, равной 100 Мбит/с, стандарт FDDI обеспечивая большую производительность, чем сети Ethernet с частотой 10 Мбит/с и маркерные кольца с частотой 16 Мбит/с. Однако по мере развития скоростных технологий Fast Ethernet и Fast Token Ring этот стандарт применяется все реже и реже. В качестве передающей среды стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель. Обычно FDDI применялся для обеспечения быстрого доступа к сетевым серверам (но, опять-таки, теперь для этих целей почти везде используют технологии Fast Ethernet).

Методы доступа FDDI и маркерного кольца похожи, поскольку в них для пересылки данных по сети используется передача маркера. Отличие FDDI от стандартного маркерного кольца заключается в применении синхронного метода доступа с передачей маркера. Маркер FDDI перемещается по сетевому кольцу от узла к узлу. Если некоторый узел не имеет данных для передачи, он принимает маркер и пересылает его следующему узлу. Если узел, владеющий маркером, должен передать данные, он может отослать любое нужное количество фреймов в течение фиксированного промежутка времени, называемого временем обращения целевого маркера (target token rotation time, TTRT). Поскольку стандарт FDDI использует синхронный метод передачи маркера, в сети в каждый момент времени могут находиться несколько фреймов от нескольких узлов, что обеспечивает высокую скорость передачи данных.

После того как узел передал фрейм, последний перемещается к следующему узлу сетевого кольца. Каждый из узлов определяет, предназначен ли фрейм текущему узлу и имеются ли в этом фрейме ошибки. Если узел является приемником данных, он помечает фрейм как прочитанный. Если какой-нибудь узел обнаруживает ошибку, он устанавливает разряд состояния фрейма, указывая на наличие ошибки. Когда фрейм возвращается к передающему узлу, тот определяет, получил ли целевой узел данный фрейм, а также имелись ли ошибки. В случае наличия ошибок фрейм передается заново. При отсутствии ошибок передающий узел удаляет фрейм из кольца.

Стандарт FDDI допускает два способа передачи пакетов: синхронный и асинхронный. Синхронная передача данных используется для пересылки непрерывной по времени информации: голоса, видео или мультимедиа. Асинхронная передача применяется для обычного сетевого трафика, который не нужно пересылать непрерывными порциями. Для конкретной сети время TTRT равно полному времени, необходимому для синхронной передачи данных от некоторого узла плюс время прохождения фрейма максимальной длины по всему кольцу.

В сети FDDI отслеживаются два типа ошибок: длительные периоды простоя и длительные периоды отсутствия маркера. В первом случае предполагается, что маркер был потерян; во втором случае допускается, что некоторый узел непрерывно работает на передачу. При любом типе ошибки узел, обнаруживший ее, генерирует последовательность специальных фреймов, называемых исковыми фреймами (claim frame), или фреймами претензий. Исковой фрейм содержит предлагаемое время TTRT. Первый узел прекращает передачу, а следующий узел в кольце сравнивает свое время TTRT со значением, посланным предыдущим узлом. После сравнения он передает меньшее из значений TTRT следующему узлу, записывая это значение в свои исковые фреймы. К тому времени, как информация дойдет до последнего узла, будет выбрано самое маленькое значение TTRT. В этот момент кольцо инициализируется, для чего в него передается маркер и устанавливается новое время TTRT для каждого узла; такое состояние длится до тех пор. пока последний узел не получит новую информацию.

В сети FDDI используются два кольца, так что в случае выхода одного кольца из строя данные могут дойти до целевого узла по другому кольцу К сети FDDI подключаются узлы двух классов. Узлы Класса А соединены с обоими сетевыми кольцами. Этот класс образует сетевое оборудование, например, концентраторы. Узлы Класса А могут переконфигурировать кольцо так, чтобы в случае отказа сети можно было использовать одно кольцо. Узла Класса В подключаются к сети FDDI через устройства Класса А. К этому классу относятся серверы и рабочие станции.