Канальный уровень передачи данных
Протоколы канального уровня, применяемые на СПБИВЦ
Ethernet
Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet.
В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.
Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер кадра от 64 до 1518 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.
Существует несколько форматов Ethernet-кадра.
· Первоначальный Version I (больше не применяется).
· Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день.
Fast Ethernet
В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс.
Сходства с Ethernet:
· сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;
· сохранение формата кадра, принятого в стандарте IEEE 802.3;
· сохранение звездообразной топологии сетей;
· поддержка традиционных сред передачи данных — витой пары и волоконно-оптического кабеля.
Gigabit Ethernet
В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.
При скорости передачи 1 Гбит/с размер кадра в 64 бита приводит к тому, что для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы максимальный диаметр сети (расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга компьютерами) составлял не более 20 м, что было бы мало полезным (успешное распознавание коллизий возможно только в том случае, если время между посылкой двух последовательных кадров минимальной длины больше, чем двойное время распространения сигнала между двумя максимально удаленными друг от друга узлами в сети). Поэтому, чтобы обеспечить максимальный диаметр сети в 200 м (два кабеля по 100 м и коммутатор), минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт.
Frame relay (канал E1)
Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для быстрых надёжных каналов связи, технология FR архитектурно основывалась на X.25 и во многом сходна с этим протоколом, однако в отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок, и поэтому большая часть механизмов коррекции ошибок X.25 в состав стандарта FR не вошла. Максимальная скорость, допускаемая протоколом FR — 34,368 мегабит/сек (каналы E3). Коммутация: точка-точка.
Формат кадра:
| Флаг (1 Byte) | Адрес (2-4 Byte) | Данные (переменный размер) | FCS (2 Byte) | Флаг (1 Byte) |
· Каждый кадр начинается и замыкается «флагом» — последовательностью «01111110». Для предотвращения случайной имитации последовательности «флаг» внутри кадра при его передаче проверяется всё его содержание между двумя флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит «1», вставляется бит «0». Эта процедура (bit stuffing) обязательна при формировании любого кадра FR, при приёме эти биты «0» отбрасываются.
· FCS (Frame Check Sequence) — проверочная последовательность кадра служит для обнаружения ошибок и формируется аналогично циклическому коду HDLC.
· Поле данных имеет минимальную длину в 1 октет, максимальную по стандарту Frame Relay Forum — 1600 октетов, однако в реализациях некоторых производителей FR-оборудования допускается превышение максимального размера (до 4096 октетов).
· Поле Адрес кадра Frame Relay, кроме собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала.
HDLC (канал E1)
HDLC (cHDLC) - является расширением для высокого уровня Data Link Control сетевого протокола, созданный Cisco Systems, Inc . HDLC является синхронным побитовой канального уровня протоколом, который был первоначально разработан Международной организацией по стандартизации ( ISO).
Структура кадра:
Структура кадра HDLC, включая флаги FD:
| Флаг FD | Адрес | Управляющее поле | Информационное поле | FCS | Флаг FD |
| 8 бит | 8 бит | 8 или 16 бит | 0 или более бит, кратно 8 | 16 бит | 8 бит |
· Флаги FD — открывающий и закрывающий флаги, представляющие собой коды 01111110, обрамляют HDLC-кадр, позволяя приёмнику определить начало и конец кадра. Благодаря этим флагам в HDLC-кадре отсутствует поле длины кадра. Иногда флаг конца одного кадра может (но не обязательно) быть начальным флагом следующего кадра.
· Адрес выполняет свою обычную функцию идентификации одного из нескольких возможных устройств только в конфигурациях точка-многоточка. В двухточечной конфигурации адрес HDLC используется для обозначения направления передачи — из сети к устройству пользователя (10000000) или наоборот (11000000).
· Управляющее поле занимает 1 или 2 байта. Его структура зависит от типа передаваемого кадра. Тип кадра определяется первыми битами управляющего поля: 0 — информационный, 10 — управляющий, 11 — ненумерованный тип. В структуру управляющего поля кадров всех типов входит бит P/F, он по-разному используется в кадрах-командах и кадрах-ответах. Например, станция-приёмник при получении от станции-передатчика кадра-команды с установленным битом P немедленно должна ответить управляющим кадром-ответом, установив бит F.
· Информационное поле предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней — сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях — прикладных протоколов, когда те выкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Информационное поле может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованых кадрах.
· Поле FCS (Frame Check Sequence) — контрольная последовательность, необходимая для обнаружения ошибок передачи. Её вычисление в основном производится методом циклического кодирования с производящим полиномом X16+X12+X5+1 (CRC-16) в соответствии с рекомендацией CCITT V.41. Полученная CRC побитово инвертируется и записывется в обратной последовательности. Это позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок длиной до 16 бит вызываемые одиночной ошибкой, а также 99,9984 % всевозможных более длинных кортежей ошибок. FCS составляется по полям Адрес, Управляющее поле, Информационное поле. В редких случаях используются другие методы циклического кодирования. После просчёта FCS на стороне приёмника он отвечает положительной или отрицательной квитанцией. Повтор кадра передающей стороной выполняется по приходу отрицательной квитанции или по истечении тайм-аута.
ATM (SHDFSL, ADSL)
ATM – сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования пакетов, которые представляют собой ячейки фиксированного размера в 53 байта, где первые 5 байт используются под заголовок.
Основы технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х двумя учёными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.
хDSL - семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.
Технологии хDSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN.
Службы xDSL разрабатывались для достижения определенных целей: они должны работать на существующих телефонных линиях, они не должны мешать работе различной аппаратуры абонента, такой как телефонный аппарат, факс и т. д., скорость работы должна быть выше теоретического предела в 56 Кбит/сек., и наконец, они должны обеспечивать постоянное подключение. Широкое распространение технологий хDSL должно сопровождаться некоторой перестройкой работы поставщиков услуг Интернета и поставщиков услуг телефонных сетей, так как их оборудование теперь должно работать совместно.
SHDSL — одна из xDSL-технологий, обеспечивает симметричную дуплексную передачу данных по паре медных проводников.
По стандарту технология SHDSL обеспечивает передачу данных со скоростями от 192 Кбит/с до 2.3 Mбит/c (с шагом в 8 Кбит/с) по одной паре проводов, соответственно от 384 кбит/c до 4,6 Mбит/c.м. по двум парам.
При использовании методов кодирования TC-PAM128 стало возможным повысить скорость передачи до 15,2 Мбит/сек по одной паре и до 30,4 Мбит/сек по двум парам соответственно.
ADSL — модемная технология, в которой доступная полоса пропускания канала распределена между исходящим и входящим трафиком асимметрично. Передача данных по технологии ADSL реализуется через обычную аналоговую телефонную линию при помощи абонентского устройства — модема ADSL и мультиплексора доступа находящегося на той АТС, к которой подключается телефонная линия пользователя, причём включается DSLAM до оборудования самой АТС. В результате между ними оказывается канал без каких-либо присущих телефонной сети ограничений. DSLAM мультиплексирует множество абонентских линий DSL в одну высокоскоростную магистральную сеть.