На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры четырех различных форматов (типов).

Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet (Ethernet DIX и IEEE802.3/LLC ).

Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet.

И наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.

Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Приведем форматы кадров Ethernet и IEEE802.3.

Стандарт Ethernet

Ethernet - это протокол канального уровня, используемый подавляющим большинством современных локальных вычислительных сетей. Подобно большинству протоколов канального уровня, Ethernet является протоколом без установления соединения и соответственно ненадежным. Ethernet предпринимает большие усилия для передачи данных в назначенное место, но нет никакого механизма, гарантирующего успешную доставку. Обеспечение этого типа услуг оставляется протоколам, работающим на верхних уровнях модели OSI, в зависимости от того, требуют ли данные гарантии доставки или нет. Формат кадра Ethernet, выглядит, как показано на рисунке 1.

8	6	6	2	46 - 1500	4
Преамбула	АН	АО	Т	Данные	КС

Рисунок 1. Формат кадра Ethernet

компьютерная сеть информационная локальная

Преамбула. Это поле из 8 байт используется для синхронизации генераторов тактовых импульсов. В первых 7 байтах содержит код 10101010 и код 10101011 в последнем байте.

Адрес назначения (АН). Это поле длиной 6 байт содержит адрес узла сети, которому предназначено сообщение.

Адрес отправителя (АО). Это поле также длиной 6 байт и идентифицирует узел, отправивший сообщение. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

Тип (Type). Это поле содержит 2 байта и предназначено для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS и 0x8137 для IPX/SPX.

Данные. Это поле может иметь длину от 46 до 1500 байт.

Контрольная сумма (КС). Последние 4 байта кадра, следующие за полем данных, содержат значение контрольной суммы, которое принимающий узел задействует для определения целостности пакета. Непосредственно перед передачей сетевой адаптер узла, отправляющего сообщение, вычисляет циклический избыточный код (CRC) для всех остальных полей пакета (за исключением преамбулы).

Когда пакет достигает своего места назначения, сетевой адаптер принимающего узла считывает содержимое кадра и выполняет вычисления по тому же алгоритму. Сравнивая свежеполученное значение с тем, что содержится в поле контрольной последовательности кадра, система с высокой вероятностью может убедиться в том, что ни один из битов пакета не был изменен. Если значения совпадают, система принимает пакет и помещает его в буферы памяти для дальнейшей обработки. Если значения не совпадают, система отбрасывает кадр. Если кадр отброшен, то протоколы вышележащих уровней выявляют его отсутствие и организуют повторную передачу.

Структура стандартов IEEE 802.x

Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. 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 свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня. Канальный уровень делится в локальных сетях на два подуровня:

логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.

Уровень LLC 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, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Стандарты 802.3, 802.4, 802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Стандарт IEEE802.3

Стандарт IEEE 802.3 во многом совпадает с Ethernet DIX, но некоторые различия все же имеются. В то время как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. Формат кадра IEEE802.3 показан на рис.2.

7	1	2/6	2/6	2	0 - 1500	0	4
Преамбула	ПНК	АН	АО	L	Данные	Запол.	КС

Рисунок 2. Формат кадра IEEE802.3

Поле преамбулы состоит из семи синхронизирующих байт 10101010.

Признак начала кадра (ПНК) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения (АН) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Указывает MAC-адрес станции, для которой предназначен этот кадр.

Адрес отправителя (АО) - это 2- или 6-байтовое поле. Содержит MAC-адрес станции, которая посылает кадр.

Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле (поле заполнения), чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.

Поле заполнения (Запол.) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

Поле контрольной суммы (КС) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband - широкополосными).

Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды. Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных.

10Base-5 - коаксиальный кабель, называемый «толстым» коаксиалом (кабели марок RG-8, RG-11). Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера.

10Base-2 - коаксиальный кабель, называемый «тонким» коаксиалом. (RG-58 /U, RG-58 A/U, RG-58 C/U). Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора.

10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора.

10Base-F - волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL и 10Base-FB (расстояние до 2000 м).

3.7 Кодирование сигнала на физическом уровне

Физический уровень модель ВОС (OSI) устанавливает тактовую частоту, метод кодирования и обеспечивает преобразование данных из цифровой формы в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи.

Цифровое кодирование определяет способ представления битов в физическом канале передачи данных. Кодирование передаваемой по сети информации имеет самое непосредственное отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависят также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.

Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания.

Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации, например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. Приемник, естественно, осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (то есть детектирование передачи).

Так, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае кода Манчестер-II. Требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, например 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, используемый в сети Gigabit Ethernet.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

обладал способностью распознавать ошибки;

обладал низкой стоимостью реализации.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими [6, 9]. Рассмотрим некоторые варианты цифрового кодирования.

Потенциальный код без возвращения к нулю - NRZ

Метод потенциального кодирования (или кодирование без возвращения к нулю - Non Return to Zero) представляет собой простой потенциальный метод кодирования, когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

В чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники.

Многие годы популярным был протокол связи через последовательный порт компьютеров - RS232А, использующий код NRZ.

Метод кодирования NRZ является наиболее простым и служит базой для построения более совершенных алгоритмов кодирования.

Потенциальный код с инверсией при единице - NRZI

NRZI - Non Return to Zero with ones Inverted или NRZI - Non Return to Zero Invert to ones (метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц) представляет собой модификацию NRZ.

В методе NRZI (рис.3) используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

Код типа NRZI применяется в FDDI. Чтобы код был самосинхронизирующимся, после каждых четырех битов передатчик вырабатывает синхронизирующий перепад. При таком коде несколько усложняются блоки кодирования и декодирования, но зато повышается скорость передачи по линии связи, так как вдвое уменьшается максимальная частота переключения по сравнению с манчестерским кодом.

Код MLT-3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission) имеет много общего с кодом NRZ. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы совпадают с границей битов (рис.4).

Важнейшая характеристика кода MLT-3 - наличие трех уровней сигнала. Изменение уровня сигнала происходит последовательно, с учетом предыдущего перехода. При такой схеме один цикл сигнала вмещает в себя четыре бита. Недостатком кода MLT-3, как и кода NRZ, является отсутствие синхронизации. Эта проблема решается с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и, следовательно, возможность рассинхронизации. Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы двух полярностей для представления 5-битовых порций информации.

Рис. 4. Метод кодирования MLT-3

Избыточные коды

Эти коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Например, код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния.

Прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется, и приемник не может определить момент чтения очередного бита. Таким образом, использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов: например, физическое кодирование с помощью методов NRZI (для оптоволокна) и МLТ-З (для витой пары).

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код. Он применяется в технологиях Ethernet (10 Мбит/с) и Token Ring. Позволяет определять начало, середину и конец передачи каждого бита без особой побитной синхронизации. Было предложено два метода: Манчестерский код и Дифференциальный Манчестерский код (рис.5).

Код Манчестер-II (или манчестерский код) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, имеет всего только два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. При использовании Манчестерского кода каждый интервал времени, который занимает передача одного бита, разделен на два равных подинтервала. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Логическая “1” кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а “0” - обратным перепадом (т.е. единичный бит кодируется высоким напряжением в продолжении первой половины интервала и низким напряжением в течение второй его части, а нулевой бит кодируется противоположным образом) - или наоборот.



Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику кода Манчестер-II легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал, что дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации.

Манчестерское кодирование используется в IEEE 802.3. Уровень напряжения составляет +0,85В и -0,85В, причем в силу принятой схемы кодирования постоянные токи в кабеле не могут возникнуть в принципе.

Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.

Код Манчестер-II используется как в электрических кабелях, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой - наличию света).

Дифференциальное манчестерское кодирование представляет собой разновидность обычного манчестерского кодирования. Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз.

Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит. Таким образом при использовании дифференциального манчестерского кода при передаче 1 в начале передачи нет различия в уровне с предыдущим интервалом передачи, а при передаче 0 - есть.

Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring фирмы IBM.

Кроме рассмотренных методов кодирования существуют такие коды как RZ (Return to Zero), 2В1Q, PAM-5, CDP (Conditional Diphase), HDB3 (High Density Bipolar 3), AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion), 5В/6В, 8b/10b и т.д.

3.8 Разработка и описание функциональной схемы сетевого адаптера

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы (ОС).

Итак, назначение сетевого адаптера - сопряжение компьютера с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена.

Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы, вставляемой в слоты расширения системной магистрали компьютера. Плата сетевого адаптера в сочетании со своим драйвером реализует функции канального уровня, а также части функций физического уровня. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем ОС, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Помимо этого сетевой адаптер устанавливает связь между протоколом сетевого уровня, который целиком и полностью реализуется средствами ОС, и сетевой средой передачи данных.

Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т.д. Следует отметить, что перечисленные сетевые адаптеры поддерживают разные методы доступа и типы кадров, поэтому они не совместимы между собой. Следовательно, на станциях, подключаемых к одному сегменту сети, необходимо устанавливать сетевые адаптеры одного типа.

Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбирать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100.

Адреса, служащие для идентификации узла в локальной сети, называются аппаратными адресами или МАС-адресами. Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурации адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода.

Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою ОС прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки.

В качестве примера классификации адаптеров используем подход фирмы 3Com, лидера в области адаптеров Ethernet [9].

Адаптеры первого поколения имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно.

В сетевых адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из памяти компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приема, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может начать передавать этот кадр из буфера в память компьютера одновременно с приемом другого кадра из сети.

В сетевых адаптерах третьего поколения (например, адаптеры EtherLing III фирмы ЗСоm) осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что процессы приема кадра из ОП компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Таким образом, после приема нескольких первых байт кадра начинается их передача. Другие компании также реализовали похожие схемы в своих адаптерах.

Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит специализированная интегральная схема АSIС, выполняющая функции МАС-уровня, а также большое количество высокоуровневых функций. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор. Примером сетевого адаптера четвертого поколения может служить адаптер компании ЗСоm FastEtherLing XLL10/100.

Описание функциональной схемы адаптера (управления передачей и приемом кадров). На рис.6 приведен один из возможных вариантов [4] функциональной схемы адаптера (достаточный для выполнения учебной работы). Как правило, в сетевом адаптере реализуются функции, обеспечивающие доступ к каналу, прием и передачу пакета, вычисление и проверку контрольных сумм, а функции, связанные с управлением информационным каналом, возлагаются на программные средства ЭВМ, обслуживаемой адаптером.

Наиболее существенное влияние на организацию работы адаптеров оказывает способ обмена данными между адаптером и ЭВМ. Могут использоваться два способа: без буферизации и с буферизацией пакетов.

Процесс пересылки данных состоит из перечисленных ниже этапов (которые при получении пакета располагаются в обратном порядке). Некоторые шаги могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования.

Передача данных сетевому адаптеру. Данные для передачи в сеть, размешаются протоколами верхних уровней в ОП компьютера (например, прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-подуровня). Затем они передаются сетевому адаптеру через системную шину.

Размещено на Allbest

Рис. 6. Функциональная схема сетевого адаптера

Размещение данных в буфере. Плата сетевого адаптера может содержать буферы памяти, которые используются для накопления и хранения данных с той целью, чтобы эти данные можно было обрабатывать порциями фиксированного объема. Обычная плата адаптера Ethernet имеет буфер размером 4 Кбайт. Платы Token Ring и адаптеры Ethernet высокого класса могут обладать буфером размером 64 Кбайт и более, который может быть разбит на области для приема и передачи произвольным образом.

Создание кадра. Сетевой адаптер получает данные, упакованные протоколом вышележащего уровня, и инкапсулирует их в кадр, который включает собственно заголовок канального уровня. В зависимости от размера пакета и используемого протокола канального уровня, адаптер может поделить данные на сегменты соответствующего размера для передачи их в сеть. Кадры Ethernet, например, переносят до 1500 байт данных, а кадры Token Ring - до 4500 байт.

Для входящего трафика сетевой адаптер считывает информацию в кадры канального уровня, проверяет их на наличие ошибок и определяет, должен ли пакет быть передан следующему уровню протокольного стека. Если да, то адаптер удаляет оболочку кадра канального уровня и передает вложенные данные протоколу сетевого уровня.

Управление доступом к среде. Метод доступа с передачей маркера, поддерживаемого сетями Token Ring, радикально отличается от метода множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), применяемый в сетях Ethernet, но основные функции этих механизмов, в конечном счете, одни и те же. Для принимающей стороны нет необходимости в использовании механизма управления доступом к среде.

Рассмотрим управление доступом к среде в случае использования метода CSMA/CD. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой. Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц.

Если среда свободна, то узел 1 имеет право начать передачу кадра. 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.

Если узел 2 во время передачи кадра узлом 1 пытается начать передачу своего кадра, то обнаружив, что среда занята (на ней присутствует несущая частота) будет вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние (она позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра), 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.

Затем кадр передается по кабелю. Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Говорят, что при этом происходит коллизия. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети станции, начавшие передачу своих кадров, передают в сеть специальную последовательность битов, называемой jam-последовательностью.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки. Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит).

Последовательное/параллельное преобразование. Из ЭВМ в блок сопряжения с интерфейсом перед началом передачи кадра заносится адрес начала области ОП (в которой хранится пакет), а также длина пакета в битах. Блок сопряжения считывает из ОП первое слово пакета, которое передается в буфер вывода. Системная шина, соединяющая сетевой адаптер и массив основной памяти компьютера, осуществляет обмен данными в параллельном коде, в то время как адаптер передает и принимает данные из сети последовательно - по одному биту. Сетевой адаптер отвечает за размещение получаемых параллельно данных в своем буфере и преобразование этих данных в последовательный поток битов для последующей передачи через сеть. Для данных, получаемых из сети, описанный процесс носит обратный характер.

Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скремблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах - например, технология Ethrnet 10Мбит/с обходится без него.

Кодирование/декодирование данных. Компьютер работает с данными в двоичной форме, поэтому, прежде чем они смогут быть переданы по сети, их необходимо закодировать способом, подходящим для сетевой среды передачи данных, а входящие сигналы должны быть, соответственно, декодированы при приеме. Рассматриваемый и следующий шаг являются процессами физического уровня, реализуемыми непосредственно сетевым адаптером. Для медного кабеля данные переводятся в электрические импульсы, для оптоволоконной линии - преобразуются в световые импульсы. Другие среды передачи могут использовать радиоволны, инфракрасное излучение или иные технологии. Схема кодирования определяется протоколом канального уровня - манчестерский код, NRZI, MLT-3 и т.п.

Передача данных по физической среде. На этом шаге сетевой адаптер усиливает сигнал до подходящей амплитуды и посылает закодированные им данные через сетевую среду.

Передача кадра начинается с посылки в передатчик последовательности начала кадра, формируемой специальным генератором.

Во время передачи преамбулы принимающий узел синхронизирует свой генератор тактовых импульсов с генератором отправителя. Для того чтобы указать начало действительной передачи пакета, отправитель передает однобайтовый начальный разделитель (ПНК - признак начала кадра, 10101011). Это - сигнал получателю, что любые последующие за ним данные являются частью пакета и должны быть считаны в буфер памяти сетевого адаптера для последующей обработки.

Вслед за ней (если это необходимо через схему бит-стаффинга, обеспечивающую прозрачность физического канала, например при использовании протокола HDLC) выводится последовательность битов, составляющих пакет.

Процесс продолжается до тех пор, пока не будет передано заданное число битов, что отмечается сигналом X₄, формируемым счетчиком длины. При передаче данных определяется контрольная сумма, которая передастся вслед за данными. После нее при необходимости (а это зависит от формата кадра) выводится последовательность конца кадра, формируемая генератором ПКК.

Прием кадра из кабеля в компьютер. Осуществляется прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток. Распознаватель последовательности начала кадра формирует сигнал X₁, отмечающий начало пакета, передаваемого в кадре. Если данные перед отправкой в кабель подвергались скремблированию, то они пропускаются через дескремблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком. Последующие биты, поступающие из приемника, обрабатываются схемой удаления бит-стаффинга и поступают на распознаватель адреса, сравнивающий адрес получателя с собственным адресом адаптера. Совпадение адресов отмечается сигналом X₃. Принимаемые биты поступают на преобразователь последовательного кода в параллельный. Сформированное преобразователем слово передается в буфер вывода, из которого оно записывается в соответствующую ячейку ОП.

Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то генератор контрольной суммы вырабатывает сигнал X₅. Счетчик фиксирует длину принятого пакета и формирует сигнал X₄, если длина пакета превосходит предельную допустимую. В случае обнаружения ошибок кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, вышележащему протоколу передается соответствующий код ошибки.

3.9 Схема разводки информационного кабеля и спецификация оборудования

Разводка информационного кабеля (например в случае витой пары) должно включать в себя несколько основных этапов.

1. Продумать план, описывающий местоположение кабельных узлов, куда будут сходиться все кабели, и настенных розеток.

2. Проложить кабель через стены и потолки до каждой рабочей станции.

3. Установить настенную розетку рядом с каждой рабочей станцией и присоединить конец кабеля к контактам розетки.

4. В кабельном узле разместить на стене коммутационную панель и вставить каждый подведенный кабель в разъем панели.

5. Протестировать каждое, соединение, с применением соответствующего оборудования.

6. Используя готовые фабричные коммутационные кабели, соединить порты коммутационной панели с соответствующим концентратором, а компьютеры - с гнездами настенных розеток.

Пример схемы разводки информационного кабеля приведен на рис.7

Монтажа сетей необходимо начинать с составления подробной схемы прокладки кабелей и размещения устройств. При этом необходимо соблюдение определенных требований и правил монтажа сетей.

Например, при прокладке кабеля UTP необходимо соблюдать следующие условия. Максимальная длина кабеля между розетками или между розеткой и patch панелью - 90 метров. Это правило разработано исходя из ограничения максимального расстояния в 100 метров между компьютер и концентратором. Причем оставшиеся 10 метров отводятся на провод (patch cord) между розеткой и компьютером, а также розеткой (patch панелью) и хабом. Для сетей категории 5 может быть не более 3-х отрезков кабеля между двумя устройствами. Минимальный радиус изгиба для кабеля - четыре диаметра кабеля (или 2,5 см), но существуют рекомендации размещать кабель таким образом, чтобы обеспечивать изгиб радиусом 5 см. Минимальное расстояние между сетевым кабелем и параллельно ему проложенным силовым кабелем напряжением менее 2 КВольт - 12,5 сантиметров. И так далее.

Существуют также специальные требования и рекомендации по монтажу СКС, выполнение которых гарантирует сохранение исходных рабочих характеристик отдельных компонентов, собранных в линии, каналы и системы. Стандарты ISO/IEC 11801 и ANSI/TIA/EIA-568A устанавливают в качестве требований несколько основных правил монтажа, предусматривающих методы и аккуратность выполнения соединения компонентов и организации кабельных потоков, которые в значительной степени повышают производительность системы и облегчают администрирование установленных кабельных систем.

Пример спецификации оборудования показан в таблице 3.

Таблица 3. Спецификация оборудовани

№ п/п	Наименование	Ед. изм.	Цена за ед.	Кол-во	Цена общая
1
2

Рис.7. Схема разводки информационного кабеля

Литература

Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. - СПб: Изд-во «Питер», 2000. -576с.

Иванова Т.И. Корпоративные сети связи. - М.: Эко-Трендз, 2001. - 282с.

Кулаков Ю.А., Омелянский С.В. Компьютерные сети. Выбор, установка, использование и администрирование. - К.: Изд-во «Юниор», 1999. -544с.

Ларионов А.М., Майоров С.А., Новиков Г.И. Вычислительные комплексы, системы и сети. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.

Новиков Ю. В., Кондратенко С.В. Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование. - М.: ЭКОМ, 2001. -221с.

Новиков Ю.В., Карпенко Д.Г. Аппаратура локальных сетей. Функции, выбор, разработка. - М.: ЭКОМ, 1998. -228с.

Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммункационные технологии и сети. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. -248с.

Олифер В.Б., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: Издательство “Питер”, 1999. -672с.

Сарыпбеков Ж.С., Трумов А.Ч., Курманов Б.К. Модели и методы проектирования ЛВС. Уч. пособие. - Алматы, КазПТИ, 1989. -106с.

Семенов Ю.А. Протоколы Іnternet. Энциклопедия. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001. -1100с.

Шиндер Д.Л. Основы компьютерных сетей. - М.: “Вильямс”, 2002. - 656 с.

Cіsco Systems. Руководство по технологиям объединенных сетей. 3-е издание.: Пер. с англ. - М.: “Вильямс”, 2002. - 1040 с.

Размещено на Allbest