ФИЗИЧЕСКИЙ И КАНАЛЬНЫЙ УРОВНИ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ. СТАНДАРТЫ СЕРИИ IEEE 802.Х

Ethernet – это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers) определил и опубликовал в качестве стандарта наборы физических характеристик, которым должны удовлетворять ЛВС с обнаружением коллизий. Эти документы называются стандартами IEEE 802.3 (Ethernet).

В ЛВС, работающей по схеме обнаружения коллизий (полное ее название CSMA/CD – Множественный доступ с проверкой несущей и обнаружением коллизий), адаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети. При необходимости передачи данных узел должен дождаться освобождения ЛВС, и только после этого он может приступить к передаче. Однако в этом случае передача сообщений может начаться одновременно двумя или более узлами ЛВС. Это и называется коллизией. Узлы должны будут повторить свои сообщения, причем повтор сообщений в таких случаях производится адаптером самостоятельно без вмешательства прикладной программы. Время, затрачиваемое на обнаружение и обработку таких событий, обычно не превышает микросекунды.

В ЛВС Ethernet узлы передают сообщения со скоростью 10 Мбит/с. Все узлы принимают каждое сообщение, но только тот из них, кому адресовано данное сообщение, посылает в ЛВС подтверждение о его приеме. Канал связи в ЛВС может быть однополосным и широкополосным. Различия этих вариантов находятся на аппаратном уровне.

Для широкополосной ЛВС характерно применение аналоговой техники. Здесь используется модем для ввода сигналов несущей в передающую среду. Сигналы несущей затем модифицируются (модулируются) цифровым сигналом. Вследствие аналогового характера сети в широкополосных системах часто используется мультиплексирование с частотным разделением, что обеспечивает передачу нескольких несущих или работу нескольких подканалов в одной и той же передающей среде. Аналоговые сигналы несущей работают в высокочастотном радиодиапазоне. Если ЛВС не работает с высокими частотами, она не считается широкополосной.

В однополосной сети используется цифровая техника. Усилитель – формирователь линии вводит в канал перепады напряжения. Канал далее работает как транспортный механизм, с помощью которого происходит распространение цифровых импульсов напряжения. Множественный доступ к среде может быть обеспечен мультиплексированием с временным квантованием или с помощью специальных протоколов. Мультиплексор представляет собой устройство, основная функция которого – обеспечить совместное использование одной линии связи, несколькими устройствами (терминалами) или портами.

Впервые экспериментальная ЛВС Ethernet, послужившая основой для стандарта, была создана в Исследовательском Центре Пало-Альто (PARC – Palo Alto Research Center) фирмы Xerox в 1975 году. Обычно Ethernet работает с производительностью 10 Мбит/с с 50-Омным коаксиальным кабелем. Современная версия Ethernet 2.0 была принята в 1982 году.

Первая версия стандарта IEEE 802.3, аналогичного Ethernet, была опубликована в 1985 году. Различия между двумя стандартами находятся в области архитектуры ЛВС и форматов пакетов. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 – разделом 802.3u. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

Протокол CSMA/CD

Протокол множественного случайного доступа к среде с разрешением коллизий CSMA/CD добавил важный элемент – разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее образования кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, коль скоро они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае потеря времени при передаче длинных кадров была бы значительной. По этому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи. Приведем основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции. Передача кадра (рис. 2.1):

Рис. 2.1 Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC)

при передаче кадра станцией

Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров – межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);

Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу.

Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду и в случае обнаружения коллизии не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии – jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, а затем прекращает передачу.

После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки, затем возвращаясь к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкм (12 байт). С одной стороны, он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.

Jam-сигнал (jamming, дословно – «глушение»). Передача jam-сигнала гарантирует, что ни один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена, с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях. Содержание jam-сигнала непринципиально, за исключением того, что оно не должно соответствовать значению поля CRC частично переданного кадра (802.3) и первые 62 бита должны представлять чередование «1» и «0» со стартовым битом «1».

Рис. 2.2 Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC)

при приеме кадра станцией