Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.

Формат кадра Ethernet

На рис. 7-2 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:
— Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.
— Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011. указывает, что далее последуют, информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.
— Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).
— Адрес отправителя (SA, source address): б байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.
— Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats -сырые форматы) -EthernetII и IEEE 802.3 (рис. 7.2), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра EthernetII в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, и 0х8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.
— Для кадра IEEE 802,3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля — поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.
— Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:
— Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) — первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;
— EthernetSNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) — первый байт LLC Data равен 0хАА;
— Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) — первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0хАА (10101010).

Дополнительное поле (pad — наполнитель) — заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта — преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.

Рис. 7.2. Два базовых MAC формата кадра Ethernet

Основные варианты алгоритмов случайного доступа к среде

Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство-мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй главный, недостаток — это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому-коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.

Дадим определение: множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain). Из-за коллизии (конфликта) могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытаются одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20-25), и при большом диаметре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.

Проблема построения протокола, способного наиболее рационально разрешать коллизии, и оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три основных подхода в качестве кандидатов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 7.3): непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.

Рис. 7.3. Алгоритмы множественного случайного доступа (CSMA) и выдержка времени в конфликтной ситуации (collision backoff)

Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае — среда занята -переходит к шагу 2.
2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.

Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.

1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;
2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.

Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более «эгоистично». Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.

Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:
1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1-р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;
3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.

И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть пр. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы пр должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 — р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р=0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.

Несоответствие форматов кадров Ethernet

Ethernet - одна из самых старых технологий локальных сетей, имеющая длительную историю развития, в которую внесли свой вклад различные компании и организации. В результате этого существует несколько модификаций даже такого основополагающего строительного блока протокола, как формат кадра. Использование различных форматов кадров может привести к полному отсутствию взаимодействия между узлами.

Всего имеется четыре популярных стандарта формата кадра Ethernet:

Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

Кадр стандарта 802.3(или кадр Novell 802.2);

Кадр Novell 802.3 (или кадр Raw 802.3);

Кадр Ethernet SNAP.

Кадр стандарта EthernetDIX , называемый также кадром EthernetII, разработан компаниями Digital, Xerox и Intel (первые буквы названия компаний и дали название этому варианту Ethernet) при создании первых сетей Ethernet. Всего было выпущено две версии фирменного стандарта Ethernet, поэтому последняя, вторая версия этого стандарта также иногда указывается при обозначении варианта протокола Ethernet и соответственно его формата кадра. Часто в литературе именно этот вариант формата кадра называют кадром Ethernet, оставляя для международного стандарта технологии EthernetIEEE 802.3 обозначение 802.3.

Кадр стандарта EthernetDIX имеет следующий формат:

Поля Destination и Source содержат 6-ти байтные МАС-адреса узла назначения и источника, а поле Type - двухбайтный идентификатор протокола верхнего уровня, который поместил свои данные в поле данных Data. Для поля Type существуют стандартные значения числовых идентификаторов для всех популярных протоколов, используемых в локальных сетях. Например, протокол IP имеет числовой идентификатор 0800 и т.п. Эти значения можно найти в постоянно обновляемом RFC (например, в RFC 1700), в котором указаны все конкретные числовые значения, применяемые в протоколах сети Internet.

В стандарте IEEEEthernet 802.3 определен формат кадра Ethernet, близкий к формату EthernetDIX, но имеющий некоторые отличия:

Одно из принципиальных отличий заключается в том, что вместо поля Type в нем используется поле Length (Длина), также имеющее размер в 2 байта, но содержащее длину поля данных в байтах.

Поле Type в стандарте 802.3 заменено двумя дополнительными полями - DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point). Поле DSAP указывает сервис (протокол), которому предназначаются данные, а поле SSAP обозначают сервис (протокол), который отправил эти данные. Назначение этих полей то же, что и поля Type, но наличие двух полей позволяет организовать передачу данных между протоколами разного типа (правда, на практике это свойство никогда не используется). Однобайтовый формат полей SAP не позволил использовать в них те же числовые обозначения идентификаторов протоколов, которые прижились для кадров EthernetDIX, поэтому каждый протокол верхнего уровня имеет сейчас два идентификатора - один используется при инкапсуляции пакета протокола в кадр EthernetDIX, а второй - при инкапсуляции в кадр Ethernet 802.3.

Еще одним отличием кадра IEEE 802.3 является однобайтовое поле Control (Управление), которое предназначено для реализации режима работы с установлением соединения. В поле Control должны помещаться номера кадров квитанций подтверждения доставки данных, необходимые для отработки процедур восстановления утерянных или искаженных кадров. На практике большинство операционных систем не использует этих возможностей кадра 802.3, ограничиваясь работой в дейтаграммном режиме (при этом значение поля Control всегда равно 03).

Так как стандарт IEEE делит канальный уровень на два подуровня - MAC и LLC, то иногда кадр Ethernet 802.3 также представляют как композиции двух кадров. Кадр МАС-уровня включает поля преамбулы, адресов назначения и источника, поле длины и поле контрольной суммы, а кадр LLC содержит поля DSAP, SSAP, Control и поле данных (которое из-за введения новых трех однобайтовых полей имеет максимальную длину на 3 байта меньше).

Кадр Novell 802.3, который также называют кадром Raw 802.3 (то есть «грубый» или «очищенный» вариант стандарта 802.3) представляет собой кадр МАС-уровня без полей уровня LLC:

Этот тип кадра длительное время успешно применялся компанией Novell в ее сетях NetWare. Отсутствие поля типа протокола верхнего уровня не создавало трудностей, так как в сетях Novell долгое время использовался только один протокол сетевого уровня - протокол IPX. В дальнейшем при переходе к многопротокольным сетям компания Novell стала использовать в качестве основного стандартный кадр IEEE 802.3 (который в документации Novell называется кадром 802.2 - номер стандарта на подуровень LLC).

Кадр EthernetSNAP (SubNetworkAccessProtocol) активно используется в сетях TCP/IP для достижения совместимости числовых идентификаторов протоколов с теми, которые используются в кадре EthernetDIX. Кадр EthernetSNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра IEEE 802.3 путем введения двух дополнительных полей: 3-х байтового поля OUI (OrganizationUnitIdentifier) и двухбайтового поля Type. Поле Type имеет тот же формат и то же назначение, что и поле Type кадра EthernetDIX. Поэтому числовые значения идентификаторов протоколов, помещаемые в это поле кадра EthernetSNAP, совпадают со значениями, используемыми в кадрах EthernetDIX, и в этом весь смысл введения дополнительных полей заголовка SNAP. В поле OUI указывается код организации, которая определяет стандартные значения для поля Type. Для протокола Ethernet такой организацией является комитет IEEE 802.3, и его код равен 00 00 00. Наличие поля OUI позволяет использовать заголовок SNAP не только для протокола Ethernet, но и для других протоколов, которые контролируются другими организациями.

Если оборудование или операционная система настроены на поддержку какого-то одного формата кадра Ethernet, то они могут не найти взаимопонимания с другим узлом, который в свою очередь поддерживает также один формат кадра Ethernet, но другого типа. Результатом попыток взаимодействия таких узлов будет отбрасывание поступающих кадров, так как неверная интерпретация формата приведет к неверной контрольной сумме кадра.

Многие современные операционные системы и коммуникационное оборудование умеют одновременно работать с различными типами кадров, распознавая их автоматически. Распознавание идет по значению 2-х байтового поля, расположенного за адресом источника. Это поле может быть полем Type или Length. Числовые идентификаторы протоколов выбраны так, что значение поля Type будет всегда больше 1500, в то время как поле Length всегда содержит значение меньше или равное 1500. Дальнейшее отделение кадров EthernetSNAP от IEEE 802.3 проводится на основании значения полей DSAP и SSAP. Если присутствует заголовок SNAP, то поля DSAP и SSAP всегда содержат вполне определенный числовой идентификатор, зарезервированный за протоколом SNAP.

Автоматическое распознавание типа кадра избавляет пользователей сети от неприятных проблем, однако та же ОС или маршрутизатор могут быть настроены на поддержку только одного типа протоколов, и в этом случае проблема несовместимости может проявляться.

Сетевые анализаторы и средства мониторинга умеют автоматически различать форматы кадров Ethernet. Для задания условий захвата кадров, содержащих пакеты определенных протоколов верхнего уровня, анализаторы позволяют пользоваться как числовыми идентификаторами этих протоколов для полей SAP (DSAP и SSAP), так и числовыми идентификаторами для поля Type (имеющим также название EtherType).

В сетях TokenRing и FDDI всегда используются кадры стандартного формата, поэтому в этих сетях не возникают проблемы, связанные с несовместимостью форматов кадров.

.
Сегодня постараемся разобраться в Ethernet кадре .

В сетевых технологиях, различают такие понятия как фрейм (frame ) и пакет packet . Новички сетевых технологий, часто делают ошибки в использовании этих терминов и считают что эти термины являются синонимами, но это не так.

Давайте определимся, что же называют фреймами, а что называют пакетами.

Фреймами называют некоторое число байт, которые содержат в себе заголовк Layer 2 OSI и концевик, вместе с инкапсулированными данными (в инкапсулированных данных обычно содержатся так же другие заголовки, других уровней).

Пакетами в свою очередь часто описывают Layer 3 заголовок вместе с данными. (так же инкапсулированы могут быть заголовки вышестоящих уровней), но уже без заголовка Layer 2 и концевика (trailer).

Используя знания, полученные в предыдущих статьях, мы знаем, что hub это устройство первого уровня (то есть устройство не знает ни о какой информации, оно не знает о Layer 2 заголовках, и тем более уж о Layer 3).
Но, в то же время, обычно это Layer 2 устройство (то есть оно понимает заголовок Layer 2 Header) и исходя из этого может делать некоторые действия (например брать MAC адрес получателя, искать к какому порту этот MAC-адрес привязан и отправлять фрейм только туда и никуда больше). Так же существуют и Layer 3 коммутаторы.

Итак, спецификация .

Давайте поговорим о ней. Какие они были, какие они сейчас.

Первым основателем Ethernet спецификации стала такая компания как DIX , на самом деле это группа компаний: Digital Equipment Corp, Intel , Xerox.
В начале 1980х годов, IEEE стандартизировала технологию Ethernet. Эта технология разделялась на две части:

1. 802.3 Media Access Control (MAC)
2. 802.2 Logical Link Control (LLC)

Существует несколько версий Ethernet фрейма, давайте рассмотрим их.

Теперь разберем поля поподробнее.

1. Preamble — преамбула, существует во всех версиях Ethernet кадра. Но есть некоторые отличия.Эти отличия есть между DIX версией и остальными. В DIX версии, это поле занимало 8 байт.
   Вообще, что такое преамбула вообще? Это некая совокупность 0 и 1, которая используется для синхронизации. То есть говорит ресиверу, что будет принят ethernet кадр.

   В DIX преамбула была 8 байт, семь первых байтов содержало последовательность 10101010 и так семь раз (7 байт), последний 8-ой байт выглядел так: 10101011.
   В 802.3 преамбула стала 7 байт, которые так содержало последовательность 10101010 (7 раз, 7 байт) и было добавлено еще одно поле, которое назвали SD (Start of Frame Delimiter), что означает: начало ethernet кадра.
   Собственно тоже самое что и в DIX реализации, только выделено дополнительное поле. Вместо одного как в DIX’е.

2. Destination address — адрес получателя. MAC адрес. — 6 байт.
3. Source address — адрес отправителя. MAC адрес. — 6 байт.
4. Length — длина фрейма. Это поле указывает на размер фрейма целиком, для того, чтоб получатель мог «предсказать» окончание пакета. Размер поля 2 байта.
5. Data — непосредственно сами данные, их размер может варьироваться от 46 до 1500 байт.
6. FCS — проверка целостности фрейма.Эти поля относятся к первой части 802.3 Ethernet — MAC.
   Так же присутствует как мы помним и вторая часть LLC, давайте рассмотрим ее поля.
7. DSAP — Destination Service Access Point. 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы получателя, которая указывает на то, в каком месте системы получателя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
8. SSAP — Source Service Access Point — так же 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы отправителя, которая указывает на то, в каком месте системы отправителя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
9. Control — Управление. Размер поля 1-2 байта. Это поле указывает на тип сервиса, который необходим для данных. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле может быть как 1 так и 2 байта.
10. Заголовок SNAP — занимает 5 байт. Состоит из двух полей — OUI и TYPE. При приеме данных, приемник должен знать, какой из сетевых протоколов должен получить входящие данные (например, IP). Для этого и предназначено набор этих полей SNAP — Sub Network Access Protocol (протокол доступа к подсетям).
11. OUI — Код организации, 3 байта. Идентификатор организации или производителя. Совпадает с первыми 3-мя байтами MAC адреса отправителя.
12. TYPE — Локальный код. Поле длиной 2 байта. Функцианально это тоже самое что и Ethertype в заголовке Ethernet II.

Как же может устройство определить, какой тип ethernet кадра принимается?

Ведь существует DIX формат (Ethernet II), 802.3 и 802_3 с SNAP ?

Все очень просто. Давайте рассмотрим алгоритм определения.

1. Устройство получает фрейм. Смотрит на поле Lenght/Type (помним, оно занимает 2 байта). Если значение больше чем 1518 байт (размер всего фрейма с заголовками), то это уже не Ethernet II , а 802.3 или 802.3 SNAP, потому как только в Ethernet II указывается размер в указанном поле.
2. Допустим Lenght/Type у нас больше 1518 (0x5FE).
   Здесь нам нужно определить, какой фрейм 802.3 или 802.3 SNAP. Это делается на основе заголовка LLC (802.2), таких как DSAP,SSAP и SNAP. Заметим, что SNAP это расширение заголовков DSAP и SSAP (Сервисов стало настолько много, что в 1 байте не удавалось закодировать тот или иной сервис и пришлось создавать еще одну реализацию, которая называется 802.3 SNAP).
   SSAP и DSAP обычно принимают одно и тоже значение. Поле Control принимает обычно значение 0x03, что означает, что нет необходимости устанавливать соединение на канальном уровне (Layer 2).

И все же, как определить какой формат Ethernet передается, 802.3 или 802.3 SNAP?

Если передается кадр с SNAP, то значение первого и второго байта данных (по сути это наши SSAP и DSAP) равны 0xAA, а третьего (по сути нашего Control) равняется 0x03.

Вот такой алгоритм работает при том, как определить какой формат кадра передается на приемник.

По формату кадров пока все.

Сейчас немного поговорим о адресации на канальном уровне, так же называемой Mac — адресацией.

На канальном уровне, адресация проходит по MAC адресам (помните, когда рассматривали ethernet кадр, первые поля были Destination Address и Source Address, которые занимали 6 байт). Эти адреса имеют 48 битный формат и записываются в 16-ом виде.

Тут стоит отметить тот факт, что, существуют юникастовые рассылки (грубо говоря точка-точка), а существуют множественные рассылки (от одного к нескольким). Это определяется по первому биту MAC адреса, если этот бит равен 1, то это значит что осуществляется множественная рассылка (например широковещательная рассылка, такой адрес имеет все единицы), если первый бит равен «0», юникастовая рассылка.

Mac адрес состоит как бы из двух частей. Первые три байта прикреплены к той или иной компании, которая производит сетевые устройства, тоесть например устройства имеет определнные 3 байта одинаковые (некоторые компании имеют не один такой адрес, а целый пул адресов), а вторые 3 байта, это непосредственно уникальный адрес сетевого устройства.

Статья получилась не маленькой. Материал может показаться запутанным. Думаю что в целом все понятно. Если что, поправляйте в комментариях, буду редактировать.

Подуровень управления доступом к среде

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологий локальных сетей. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.

Сеть Ethernet

Историческая справка. Зарождение Ethernet

Манчестерский код

Ни в одной из версий Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 В и бита 1 - напряжением 5В, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая может интерпретировать ее как 10000000 или 01000000, так как они не смогут отличить отсутствие сигнала (0 В) от бита 0 (0 В). Можно, конечно, кодировать единицу положительным напряжением +1 В, а ноль - отрицательным напряжением -1 В. Но при этом все равно возникает проблема, связанная с синхронизацией передатчика и приемника. Разные частоты работы их системных часов могу привести к рассинхронизации и неверной интерпретации данных. В результате приемник может потерять границу битового интервала. Особенно велика вероятность этого в случае длинной последовательности нулей или единиц. Таким образом, принимающей машине нужен способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Это реализуется с помощью манчестерского кодирования. В манчестерском коде каждый временной интервал передачи одного бита делится на два равных периода. Бит со значением 1 кодируется высоким уровнем напряжения в первой половине интервала и низким - во второй половине, а нулевой бит кодируется обратной последовательностью - сначала низкое напряжение, затем высокое. Такая схема гарантирует смену напряжения в середине периода битов, что позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком. Недостатком манчестерского кодирования является то, что оно требует двойной пропускной способности линии по отношению к прямому двоичному кодированию, так как импульсы имеют половинную ширину. Например, для того чтобы отправлять данные со скоростью 10 Мбит/с, необходимо изменять сигнал 20 миллионов раз в секунду.

Формат кадра Ethernet

Преамбула (8 байт). Ethernet-кадр начинается с 8-байтового поля преамбулы. В каждый из первых 7 байт преамбулы записывается значение 10101010, а в последний байт - значение 10101011. Первые 7 байт должны «разбудить» принимающие адаптеры и помочь им синхронизировать свои таймеры с часами отправителя. Как уже отмечалось, адаптер А должен передать кадр со скоростью 10 Мбит/с, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с в зависимости от типа локальной Ethernet-сети. Однако поскольку ничего не бывает абсолютно точным в реальном мире, скорость передачи всегда будет несколько отличаться от номинала. Величина этого отклонения скорости другим адаптерам локальной сети заранее не известна. Таким образом, первые 62 бита преамбулы, представляющие собой чередующиеся нули и единицы, позволяют приемнику с достаточной точностью настроиться на скорость передатчика, а последние два разряда (две единицы подряд) сообщают адаптеру В, что преамбула закончилась и следом идет уже первый информационный байт поля кадра. Адаптер В понимает, что следующие 6 байт содержат адрес получателя.

Адрес получателя (6 байт). Это поле содержит LAN-адрес принимающего адаптера. Получив Ethernet-кадр с адресом получателя, отличным от собственного физического адреса или широковещательного адреса локальной сети, адаптер отбрасывает кадр. В противном случае он передает содержимое поля данных сетевому уровню.

Адрес отправителя (6 байт). Это поле содержит LAN-адрес адаптера, передающего кадр в локальную сеть. Поле типа (2 байта). Поле типа позволяет локальной Ethernet-сети «мультиплексировать» протоколы сетевого уровня. Чтобы понять, что это означает, вспомним, что хосты могут помимо протокола IP использовать и другие протоколы. В самом деле, любой хост может поддерживать несколько протоколов сетевого уровня - разные протоколы для разных приложений. По этой причине, получив Ethernet-кадр, адаптер В должен знать, какому протоколу сетевого уровня он должен передать (то есть демультиплексировать) содержимое поля данных. Каждому сетевому протоколу (например, IP, Novell IPX или AppleTalk) присвоен зафиксированный в стандарте номер. Обратите внимание, что поле типа аналогично полю протокола в дейтаграмме сетевого уровня и полю номера порта сегмента транспортного уровня. Все эти поля служат для связи протокола одного уровня с протоколом уровнем выше.

Поле данных (от 46 до 1500 байт). Это поле содержит IP-дейтаграмму. Максимальная единица передачи (Maximal Transfer Unit, MTU) в Ethernet-сети составляет 1500 байт. Это означает, что если размер IP-дейтаграммы превышает 1500 байт, тогда хост должен разбить ее на отдельные фрагменты (см. подраздел «Фрагментация IP-дейтаграмм» в разделе «Интернет-протокол» главы 4). Минимальный размер поля данных равен 46 байт. Это означает, что если размер IP-дейтаграммы меньше 46 байт, то данные, помещаемые в это поле, дополняются байтами-заполнителями. При этом сетевой уровень получает дейтаграмму от канального уровня с этими дополнительными байтами и отсекает все лишнее сам, ориентируясь на поле длины в заголовке IP-дейтаграммы. Вот почему на практике в WireShark мы иногда получали 6 нулевых байтов в приходящем пакете.

CRC (4 байта). Назначение поля CRC заключается в том, чтобы получающий адаптер мог определить, не исказился ли кадр при передаче, то есть обнаружить ошибки в кадре. Искажение битов в кадре может быть вызвано ослаблением сигнала в канале, скачками напряжения, наводками в кабелях и интерфейсных платах.

Минимальный размер кадра

Если кадр короткий, а расстояние между компьютерами большое, то отправитель может не обнаружить коллизии. Если отправитель закончит отсылать кадр до прихода сигнала о коллизии, то он подумает, что сигнал о коллизии относится не к нему.

Связь характеристик канала

Пусть M - минимальный размер кадра

P – пропускная способность канала

M/P – время записи кадра в канал

Связь между скоростью, длиной канала и минимальным размером кадра:

M/P > 2T, где T=L/c

P=10 Mb/s M=64 B тогда L<7680 м

P=10 Gb/s M=64 B тогда L<7,68 м

Между тем, кроме верхней границы размера поля данных очень важна и нижняя граница. Поле данных, содержащее 0 байт, вызывает определенные проблемы. Дело в том, что когда приемопередатчик обнаруживает столкновение, он обрезает текущий кадр, а это означает, что отдельные куски кадров постоянно блуждают по кабелю. Чтобы было легче отличить нормальные кадры от мусора, сети Ethernet требуется кадр размером не менее 64 байт (от поля адреса получателя до поля контрольной суммы включительно). Если в кадре содержится меньше 46 байт данных, в него вставляется специальное поле Pad, с помощью которого размер кадра доводится до необходимого минимума. Другой (и даже более важной) целью установки ограничения размера кадра снизу является предотвращение ситуации, когда станция успевает передать короткий кадр раньше, чем его первый бит дойдет до самого дальнего конца кабеля, где он может столкнуться с другим кадром. Эта ситуация показана на рис. 4.17. В момент времени 0 станция А на одном конце сети посылает кадр. Пусть время прохождения кадра по кабелю равно т. За мгновение до того, как кадр достигнет конца кабеля (то есть в момент времени т - е), самая дальняя станция В начинает передачу. Когда станция В замечает, что получает большую мощность, нежели передает сама, она понимает, что произошло столкновение. Тогда она прекращает передачу и выдает 48-битный шумовой сигнал, предупреждающий остальные станции. Примерно в момент времени 2т отправитель замечает шумовой сигнал и также прекращает передачу. Затем он выжидает случайное время и пытается возобновить передачу. Если размер кадра будет слишком маленьким, отправитель закончит передачу прежде, чем получит шумовой сигнал. В этом случае он не сможет понять, произошло это столкновение с его кадром или с каким-то другим, и, следовательно, может предположить, что его кадр был успешно принят. Для предотвращения такой ситуации все кадры должны иметь такую длину, чтобы время их передачи было больше 2т. Для локальной сети со скоростью передачи 10 Мбит/с при максимальной длине кабеля в 2500 м и наличии четырех повторителей (требование спецификации 802.3) (мое: вероятно L=2500*5, где 5 – максимальное количество участков кабеля между компьютерами) минимальное время передачи одного кадра должно составлять в худшем случае примерно 50 мкс, включая время на прохождение через повторитель, которое, разумеется, отлично от нуля. Следовательно, длина кадра должна быть такой, чтобы время передачи было по крайней мере не меньше этого минимума. При скорости 10 Мбит/с на передачу одного бита тратится 1000 не, значит, минимальный размер кадра должен быть равен 500 бит. При этом можно гарантировать, что система сможет обнаружить коллизии в любом месте кабеля. Из соображений большей надежности это число было увеличено до 512 бит или 64 байт. Кадры меньшего размера с помощью поля Pad искусственно дополняются до 64 байт. По мере роста скоростей передачи данных в сети минимальный размер кадра должен увеличиваться, или должна пропорционально уменьшаться максимальная длина кабеля. Для 2500-метровой локальной сети, работающей на скорости 1 Гбит/с, минимальный размер кадра должен составлять 6400 байт. Или же можно использовать кадр размером 640 байт, но тогда надо сократить максимальное расстояние между станциями сети до 250 м. По мере приближения к гигабитным скоростям подобные ограничения становятся все более суровыми.

Detection - CSMA/CD ). Все компьютеры сети имеют доступ к общей шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер , используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1 .

Рис. 6.1.

Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть соединены вместе, используя физическую шину или звездную топологию, но логическая топология - всегда шинная. Под этим мы подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только одна станция одновременно может использовать ее. Также подразумевается, что все станции получают кадр , посланный станцией (широковещательная передача). Адресованный пункт назначения сохраняет кадр , в то время как остальные отбрасывают ее. Каким образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту проблему согласно следующим принципам:

1. Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ).
2. Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его, сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных, станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
3. Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае возникает конфликт, называемый коллизией.

Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после того, как передача началась. Если есть конфликт , то все станции его обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные времена предотвращают одновременную повторную посылку данных. Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу кадра ( рис. 6.2), которая предваряется преамбулой (preamble) , состоящей из 7 байт вида 10101010, и байта начала кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) вида 10101011. Эти комбинации нужны приемнику для вхождения в побитовый и кадровый синхронизм с передатчиком. Кадр заканчивается полем последовательности контроля кадра ( FCS - Frame Check Sequence ) длиной 4 байта (на рис. 6.2 не показано). Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает свой собственный адрес (МАС- адрес назначения) в начале кадра и записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого кадра определяется адрес источника (МАС- адрес источника), которому следует выслать кадр -ответ. Получатель пакета на 3-м уровне определяется в соответствии с полем Тип протокола (Protocol Type) : значение 0х0800 - адрес модуля IP , 0806 - адрес модуля ARP . Минимальное и максимальное значения длины поля для протоколов верхних уровней - 46 и 1500 байт соответственно. Порядок передачи бит кадра: слева направо / снизу вверх ( рис. 6.2), цифрами обозначены длины полей кадра в байтах.

Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный захват среды одним и тем же узлом.

Рис. 6.2.

Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним узлом называется коллизией . Механизм разрешения коллизии состоит в следующем ( рис. 6.3):

Рис. 6.3.

Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam -комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD : минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.

Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, - это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние ( домен конфликта). Другими словами, мы имеем:

Минимальная длина кадра/Скорости передачи пропорциональна Домен конфликта/Скорость Распространения

В традиционной Локальной сети Ethernet , минимальная длина кадра - 520 битов, скорость передачи - 10 Mбит/с, скорость распространения - почти равна скорости света, и домен конфликта - около 2500 метров.

Рис. 6.5.

• Преамбула . Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.
• Ограничитель начала кадра (SFD - Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита - 11 (две единцы) - сигнал, что следующее поле - адрес получателя.
• Адрес получателя (DA - Destination Address) . Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.
• Исходный адрес (SA -