Стандарты IEEE

Стандарты IEEE

Введение

Отдельные типы сетей в настоящее время стандартизованы Институтом Инженеров по Электротехнике и Радиоэлектронике (IEEE -- Institute of Electrical and Electronics Engineers). Соответствующие стандарты определяют структуру сетей на физическом и канальном уровне модели OSI. Эти уровни в определенном смысле перекрываются друг с другом, поэтому стандарты описывают как физическую среду передачи данных, так и методы передачи пакетов. Другими словами, вы сможете узнать, как будет вести себя сеть, удовлетворяющая этим стандартам, и как эта сеть должна быть сконструирована для выполнения требуемых задач. Далее приводится обзор некоторых стандартов IEEE, ссылки на которые вы, вероятно, встре-тите, когда будете иметь дело с организацией сетей.

Все эти стандарты начинаются с цифры 802, поскольку за поддержку стандартов в области локальной сети отвечает 802-й комитет IEEE.

1. Стандарт 802.2

Стандарт 802.2 определяет правила передачи данных на канальном уровне для сетевых топологий, определенных в стандартах 802.3 - 802.5. Они применимы как к сетям Token Ring, так и к Ethernet, и описывают взаимодействие между сетевыми протоколами, например, TCP/IP, и сетями различных типов. Стандарт 802. 2 предусматривает функционирование сетей в режиме без соединения (для протоколов, которые не требуют установ-ления явного соединения) или в режиме, ориентированном на соединение, (т. е. предназначенном для протоколов, требующих явного установления соединения).

В стандарте IEEE канальный уровень разделяется на два подуровня: подуровень связи логических каналов (LLC -- Logical Link Connection), назы-ваемый также уровнем соединения канала передачи данных (DLC -- Data Link Connection), и на подуровень управления доступом к среде передачи (MAC - Media Access Control). На LLC-уровне обеспечивается управление интерфейсом между всеми сетевыми топологиями и их протоколами передачи данных (сетевого уровня). Для выполнения этой задачи средства LLC-уровня опираются на средства уровня MAC, предоставляющего определенные сведения об адресации информации. Используемый же метод адресации информации определяется типом сети.

2. Стандарт Ethernet (802.3n)

Сеть Ethernet впервые была сконструирована в 70-х гг. доктором Робер-том Меткалфом (Robert Metcalfe) как часть проекта "офиса будущего". В то время это была сеть со скоростью работы 3 Мбит/с. В 1980 г. сеть Ethernet была стандартизована консорциумом фирм DEC-Intel-Xerox (DIX) как сеть со скоростью 10 Мбит/с, а в 1985 г.

Она была стандартизована 802-м коми-тетом IEEE. С тех пор новая технология Ethernet наследует признаки базовой структуры исходной схемы Ethernet, предусматривающей логическую шинную топологию и метод множественного доступа с контролем несущей и обна-ружением конфликтов (CSMA/CD - Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection).

В различных типах Ethernet используются различные физические топологии (например, звездообразная или шинная) и различные типы кабелей (например, UTP, коаксиальный, оптоволоконный).

Все сети Ethernet типа 10Base2, 10Base5, 10BaseT или 10BaseF являются "вари-ациями на тему" стандарта 802.3.

3. Основы Ethernet

Информация, "путешествует" по сети Ethernet в виде пакетов, каждый из которых состоит из шести частей.

Преамбула. Содержит восемь байтов информации, используемой для позиционирования остальной части информации в пакете.

Адрес назначения. Содержит аппаратный адрес ("зашитый" в плату Ethernet) рабочей станции или станций, которые принимают эту инфор-мацию.

Адрес источника. Позволяет принимающей рабочей станции распознать Рабочую станцию, пославшую информацию.

Тип. Определяет тип информации, хранящейся внутри части пакета с Данными -- является ли она графической информацией, текстом ASCII или чем-либо другим.

Фактические данные. Это может быть любая информация объемом от 46 до 1500 байтов.

Контрольная последовательность кадра. Позволяет определить ошибки передачи пакета; используется для проверки того, достигла ли остальная часть пакета места назначения без повреждения.

На рис. 1 показаны части кадра Ethernet в соответствии со стандар-том 802.3

Рис 1. Структура кадра сети Ethernet в соответствии со стандартом 802.3

Имеется несколько различных типов Ethernet, каждый со своим собст-венным номером и именем, под которым они наиболее известны. Эти типы описаны в табл. 1.

Таблица 1. Некоторые типы сетей Ethernet и их описание

Независимо от типа физической топологии, в сети Ethernet всегда используют логическую шинную топологию, означающую, что все кабели LAN - часть одного и того же тракта передачи данных и доступны всем сетевым PC.

Независимо от типа сети, наиболее примечательной особенностью стандарта 802. Зn является метод множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружением конфликтов (CSMA/CD -- Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection).

Название отражает самую суть наибольшей проблемы сетей Ethernet, коротко описанную ранее: как можно одновременно посылать через сеть огромное количество информации без всяких конфликтов?

Краткий ответ таков: невозможно. Однако этот ответ не такая уж большая неприятность: Ethernet рассчитана на возникновение конфликтов время от времени. Чтобы разобраться в CSMA/CD давайте разобьем это название на части. Слово "Carrier" (несущая) означает: все узлы перед попыткой передачи данных "слушают" сеть чтобы определить ее состояние (свободна или занята).

Слова "Multiple access" (множественный доступ) означают: все узлы сети имеют доступ к одному и тому же кабелю, т. е. выполняется широковеща-тельная передача сигнала по всей LAN. Наконец, слова "Collision detection" означают: любой узел может определить, что другой узел начал передачу в то время, когда первый узел еще передает данные. Короче, CSMA/CD предоставляет средства, позволяющие уменьшить вероятность конфликтов между пакетами путем использования каждым PC широковещательной пред-варительной передачи сигнала, называемого сигналом контроля несущей (carrier-sensing signal) перед передачей данных с целью определения, не ведет ли широковещательную передачу какая-либо другая рабочая станция.

Если такой передачи нет, то по результатам приема сигнала контроля несущей принимается решение "все свободно", и рабочая станция начинает передачу пакета. Однако если в результате приема сигнала контроля несущей обна-руживается передача данных другой рабочей станцией, то первая станция ожидает некоторое время, прежде чем начать широковещательную передачу.

Описанный метод позволяет избегать конфликтов до тех пор, пока се-тевой трафик не слишком интенсивен и длина кабелей LAN не превышает предельного значения.

Если же выполняется какое-либо из этих условий, то конфликт, скорее всего, произойдет, несмотря на использование метода CSMA/CD. Он не гарантирует передачу данных только одной рабочей станцией. Он обеспечивает лишь "молчание" всех станций перед тем, как одна из них начнет передачу. Если две рабочие станции случайно начнут пе-редачу одновременно, то средства CSMA/CD не смогут устранить конфликт.

Если же два пакета "перекрываются", то CSMA/CD позволит избежать повторения конфликта. Сразу после возникновения конфликта каждая рабочая станция выбирает случайное число между 1 и 2 перед повторением попытки передачи.

Если две рабо-чие станции выберут одно и то же число, произойдет повторный конфликт при их попытке выполнить одновременную широковещательную передачу.

Тогда они выберут число между 1 и 4 и сделают вторую попытку. Процесс идет до тех пор, пока рабочие станции успешно не завершат передачу своих данных или пока не выполнят 16 безуспешных попыток. Если они не смогут устранить конфликт за шестнадцать попыток, обе рабочие станции сделают паузу и предоставят шанс другим станциям выполнить передачу данных.

В приведенном ниже списке перечислены диапазоны чисел, исполь-зуемых при каждой повторной попытке устранения конфликта передачи.

В сети Gigabit Ethernet обеспечивается как полудуплексная передача данных для разделяемых областей сети (тех областей, в которых узлы "борются" за использование полосы пропускания сети), так и дуплексная, применяемая для неразделяемых областей, построенных по принципу "коммутатор к коммутатору".

Разделяемые области, в которых для устра-нения конфликтов пакетов используется метод CSMA/CD, взаимодействуют несколько иначе, чем разделяемые области, содержащие более медленные сети Ethernet. Это обусловлено повышенными скоростями линии связи.

Поскольку скорость сети высока, в применяемые способы синхронизации должны быть внесены изменения, иначе узлы не смогут "услышать" друг друга перед началом своей передачи. Поэтому в сетях Gigabit Ethernet для устройств, работающих в полудуплексном режиме (узлы сети), минимальный квант времени, предоставляемый каждому пакету, увеличивается от 64 до 512 байтов, т. е. каждому узлу предоставляется окно, достаточное для пе-редачи 512 байтов вместо 64.

В пакетах с размерами менее 512 байтов свободные места будут заполнены незначащей информацией, чтобы их размеры соответствовали увеличившимся квантам времени. Поскольку укрупнение квантов времени замедляет передачу пакетов из-за более редких импульсов временных сигналов, в сети Gigabit Ethernet поддерживается групповая передача пакетов, при которой в течение одного временного кванта посылается целая группа маленьких пакетов.

Однако такое измене-ние метода синхронизации не способствует совместимости с медленными сетями Ethernet, в частности, потому, что в дуплексных областях сети Gigabit Ethernet используется такой же 64-битовый квант времени, что и в медленных разновидностях сетей, определенных стандартом 802.3n.

Описанное выше изменение способа синхронизации сети приводит к появлению и другого усовершенствования, применимого, главным обра-зом, для сетей Gigabit Ethernet, используемых на магистральных участках -- использовании устройства, называемого буферизованным распределителем (buffered distributor).

Буферизованный распределитель аналогичен концен-тратору, соединяющему два и более сегмента сети Gigabit Ethernet, подобно повторителю. Главное отличие между буферизо-ванным распределителем и повторителем состоит в том, что повторитель адресует пакеты во внешние сегменты сразу после их получения, в то время как распределитель может помещать полученные кадры в буфер, что позво-ляет эффективнее использовать имеющуюся полосу пропускания.

Вряд ли вы в ближайшем будущем увидите сеть Gigabit Ethernet, подключенную к вашим настольным рабочим системам -- она слишком дорогая. Скорее всего, эта технология будет вначале использоваться для создания высокоскоростных соединений между маршрутизаторами или коммутаторами в сети Ethernet. Развертывание ее для настольных рабочих систем произойдет только после снижения стоимости, как это произошло в свое время с сетью Fast Ethernet.

4. Стандарт Token Bus (802.4)

Пытаясь разработать стандарт сети, менее склонной к конфликтам, чем не предусмотрено стандартом 802. 3, подкомитет IEEE 802. 4 разработал такое сочетание шинной и кольцевой топологий, которое обеспечивает передачу информации через кольцо, но использует для этого физическую шинную топологию. Стандарт 802. 4 разработан как результат учета того,

что компьютеры склонны к тем же недостаткам, что и люди -- стоит дать им хоть малейшую возможность, как они начинают перебивать друг друга при разговоре. Рассматривая эту проблему, комитет 802. 4 представил описание эстафеты, которое сеть может использовать для решения вопроса о том, какому компьютеру следует "говорить" в данный момент. Все это содержится в стандарте 802. 4.

Только та рабочая станция, которая владеет эстафетным маркером, может посылать определенную информацию, и после того, как эта рабочая станция получит уведомление о получении этой же информации, она должна передать маркер следующей на линии рабочей станции. Как же сеть определяет, кто находится следующим на линии? Согласно стандарту 802. 4 сеть специальным образом отслеживает, кто следующий должен полу-чить маркер. Подобно тому, как управляющий фирмы имеет большее право голоса, чем лицо, ответственное за убранство офиса, некоторые рабочие станции, могут иметь более высокий приоритет при получении маркера.

Метод разрешения конфликтов не является единственным. Чем стан-дарт 802. 4 отличается от стандарта 802. 3? Во-первых, несколько отличается среда передачи данных: в сети Token Bus используется либо коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 70 Ом (в отличие от кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом в сетях 10Base2), либо оптоволоконный кабель. Во-вторых, как вы можете заметить на рис. 2, кадр сети Ethernet стандарта 802. 4 отличается от кадра стандарта 802. 3. Он содержит преамбулу, начальный разделитель кадра, управление кадром, адрес назначения, исходный адрес, данные, контрольную последовательность кадра, конечный разделитель кадра.

Рис 2. Структура кадра сети Ethernet в соответствии со стандартом 802.4Хотя комбинация средств маркер/шина позволяет устранить конфликты, стандарт 802. 4 имеет ряд недостатков, сдерживающих его широкое распро-странение.

Наиболее значительные потери производительности сети с шинно-кольцевой структурой обусловлены сбоями аппаратных средств, приводящими к потере или "затенению" эстафетного маркера. В последнем случае ситуация будет выглядеть так, будто в сети существует несколько маркеров.

5. Стандарт Token Ring (802.5)

Стандарт 802. 5 разработал комитет IEEE 802. 4 в союзе с фирмой IBM. Этот стандарт специально предназначен для сетей Token Ring, использую-щих маркерные методы пересылки информации от одной рабочей станции к другой.

Как и в случае со стандартом 802. 4, рабочие станции в сети Token Ring, построенные в соответствии со стандартом, используют маркер для определения того, какая рабочая станция должна передавать информацию и данный момент времени. Если она ничего не должна передавать, то передаёт следующей рабочей станции свободный маркер, и этот процесс продолжается до тех пор, пока маркер не достигнет рабочей станции, которой требуется передать данные.

Данные путешествуют, начиная от исходной рабочей станции последо-вательно от узла к узлу сети. Каждая станция проверяет адрес, приведенный пакете данных.

Если данные предназначены этой рабочей станции, она сохраняет копию данных и посылает оригинал далее. Если данные не предназначены этой станции, она просто пересылает их следующей станции в сети. Когда посылающая рабочая станция получает обратно копию исход-ного пакета данных, она определяет, пора ли остановить передачу и послать свободный маркер (передать эстафету) следующей рабочей станции. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 3,4,5.

Рис. 3 Шаг 1

Стандарт 802. 5 содержит несколько рекомендаций. С помощью интел-лектуальных концентраторов система Token Ring может восстанавливать соединение сети при неисправностях, вызванных аппаратными сбоями -- это прекрасная возможность, отсутствующая в стандарте Token Bus.

Если рабочая станция неисправна и вследствие этого либо не генерирует сво-бодный маркер после окончания "оборота" очередного маркера, либо передает неправильный маркер по сети, интеллектуальный концентратор может распознать наличие неисправности и исключить эту рабочую станцию из сети, позволяя остальной ее части нормально функционировать.

Рис. 4 Шаг 2

Сеть, определенная в соответствии со стандартом 802. 5, может обеспе-чивать связь на большее расстояние, чем сети, построенные в соответствии со стандартами 802. 3 и 802. 4, поскольку в ней пакет путешествует от одной станции до другой и при этом ретранслируется и, следовательно, расстояние между отдельными узлами сети может равняться предельно возможному (для данного типа кабеля).

Рис. 5 Шаг 3

Платы Token Ring присоединяются к устройствам MAU (Multistation Access Unit -- устройство многостанционного доступа) с помощью D-разъема, установленного внутри устройства. К устройству MAU можно подсоединить восемь PC. Кроме того, одни MAU могут быть соединены с другими MAU. В сети Token Ring отсутствуют терминаторы, так как один конец кабеля подключается к плате, а другой -- к устройству MAU.

Как и с помощью концентраторов, применяемых в сетях l0BaseT, используя MAU в рассматриваемых сетях вы можете легко организовать свою сеть так, что кабели будут проходить от центрального монтажного шкафа на каждый этаж, а затем и к каждому компьютеру на этаже. Кабели между устрой-ством MAU и сетевым устройством могут быть до 45 м длиной, что достаточно для подключения кабелей к монтажным шкафам в большинстве зданий.

Хотя сеть Token Ring имеет логическую кольцевую топологию, в ней используется физическая звездообразная топология. Вместо концентраторов в Token Ring применяются устройства MAU (Multistation Access Unit -- уст-ройство многостанционного доступа). Не спутайте эти устройства MAU с блоками доступа к среде передачи данных (также сокращенно называемых MAU - Medium Attachment Unit), которые являются приемо-передающими соединениями с AUI-портом адаптеров Ethernet.