Глава 2. Протоколы канального уровня, применяемые на СПБИВЦ.

Канальный уровень передачи данных

Канальный уровень – это второй уровень сетевой модели OSI. Его назначение заключается в формировании и передаче кадров на физический уровень по разделяемому несколькими парами взаимодействующих устройств каналу связи [5].

Функции канального уровня:

- получение доступа к среде передачи;

- выделение границ кадра;

- аппаратная адресация или адресация канального уровня;

- обеспечение достоверности принимаемых данных;

- адресация протокола верхнего уровня.

Обеспечение доступа к среде передачи данных - это важнейшая функция канального уровня. Она требуется всегда, за исключением случаев, когда реализована полносвязная топология. Например, два компьютера, соединенных через кроссовер, или компьютер со свичом в полнодуплексном режиме.

Выделение границ кадра производится всегда. Эту задачу можно решить с помощью резервирование некоторой последовательности, либо обозначить начало или конец кадра.

Аппаратная адресация или адресация канального уровня требуется в том случае, когда кадр могут получить сразу несколько адресатов. В локальных сетях аппаратные адреса (MAC-адреса) применяются всегда.

Во время передачи кадра есть вероятность, что данные исказятся. Важно это обнаружить кадр, содержащий ошибку, обеспечивая этим достоверность принимаемых данных. Обычно на канальном уровне используются алгоритмы контрольных сумм, дающие высокую гарантию обнаружения ошибок.

В процессе декапсуляции указание формата вложенного PDU существенно упрощает обработку информации, поэтому чаще всего указывается протокол, находящийся в поле данных, за исключением тех случаев, когда в поле данных может находиться один-единственный протокол.

Семейство технологий Ethernet

Ethernet

Технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox PARC вместе со многими первыми проектами. Датой создания Ethernet принято считать 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы Xerox PARC о потенциале технологии Ethernet. Он стал самой распространённой технологией ЛВС середины 1990-х годов [6].

Стандартами IEEE 802.3 описывают технологию Ethernet. В стандартах первых версий Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0 было указано, что в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель. Применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель является разделяемой средой передачи данных. Одновременно её могут использовать несколько интерфейсов, но передавать, в каждый момент времени, должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Однако если хотя бы два узла начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга, то есть произойдёт коллизия. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел должен постоянно наблюдает за сигналами в среде и, если собственный передаваемый сигнал будет отличатся от наблюдаемого, фиксировать коллизию. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайные промежутки времени. Но если каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение - факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет.

Для того, чтоб такой ситуация одновременной передачи не произошло необходимо ограничить максимальное количество сетевых узлов и минимальный размер кадра. Разработчики технологии Ethernet установили минимальным размером кадра величину в 64 байта.

В дальнейшем появилась возможность использовать в качестве передающей среды витую пару. Это привело к следующим преимуществам:

- возможности работы в дуплексном режиме;

- низкой стоимость кабеля витой пары;

- уменьшению минимально допустимого радиуса изгиба кабеля

- более высокой надёжности сетей;

- большей помехоустойчивости из-за использования дифференциального сигнала;

- возможность питания по кабелю маломощных узлов, например, IP-телефонов;

- применению гальванических развязок трансформаторного типа.

Более высокая надёжность сети передачи данных при использовании витой пары заключается в применении по топологии «звезда». В этом случае обрыв кабеля приводит лишь к нарушению связи между двумя объектами сети, соединённых кабелем. При использовании же коаксиального кабеля, сеть строится по топологии «шина», для которой требуется наличие терминальных резисторов на концах кабеля, поэтому обрыв кабеля приводит к неисправности всего сегмента сети.

В условиях СНГ, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто приводило к короткому замыканию и выходу из строя сетевых карт компьютеров. Это проблема была решена применением на кабелях витой пары гальванических развязок трансформаторного типа.

Следствием дальнейшего перехода технологии Ethernet на оптоволоконный кабель передачи данных стало увеличение длины сегмента сети без применения повторителей.

В технологии Ethernet применяется полудуплексный режим передачи данных. Это означает, что сетевой 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 802.3, формат кадра представлен на рисунке 1;

- Raw 802.3 – формат кадра, разработанный фирмой Novell, представлен на рисунке 2;

- Ethernet SNAP - протокол доступа к подсетям, формат кадра представлен на рисунке 3.

Кадр Ethernet SNAP определен стандартом IEEE 802.2H и представляет собой расширение стандарта IEEE 802.3 введением дополнительного поля идентификатора организации. Это поле может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. Главным отличием от IEEE 802.3 было добавление поля SNAP, расширяющего количество возможных добавлений номеров протоколов верхних уровней. SNAP состоит из 2-х частей: поля Organizationally Unique Identifier (OUI) и Protocol ID (PID).

					1(2)	46-1500
Da	Sa	L	DSAP	SSAP	Control	DATA	FCS

Рисунок 1 - Ethernet 802.3

			46-1500
Da	Sa	L	DATA	FCS

Рисунок 2 - RAW 802.3

					1(2)		46-1500
Da	Sa	L	DSAP	SSAP	Control	SNAP	DATA	FCS

Рисунок 3 - Ethernet SNAP

DA (Destination Address) - MAC адрес назначения, может быть юникастом, мультикастом, бродкастом.

SA (Source Address) - MAC адрес отправителя. Всегда юникаст.

L – Length, хранит информацию о размере данных.

DSAP, SSAP, Control - заголовок LLC. LLC - подуровень управления логической связью. Указывает типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

DATA – поле данных.

FCS (Frame Check Sequence) - проверочная последовательность кадра

Таблица 1 - Стандарты Ethernet

Fast Ethernet

К появлению Fast Ethernet привело создание сетевых мостов нового поколения - коммутаторов, которые, в отличие от сетевого моста, имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между портами одновременно. Коммутаторы эффективно применяются в тех сетях, где межсегментный трафик не очень отличался от внутрисегментного. С применением коммутаторов, появилась возможность соединить низкую стоимость технологии Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов.

Ещё одно событие заключалось в появлении сетей, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. До этого только технология Fiber Distributed Data Interface(FDDI) обеспечивала такую битовую скорость, но она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.

В 1992 году институт IEEE начал работу по стандартизации новой технологии. Созданная для этого исследовательская группа с конца 1992 по конец 1993 года изучила множество 100-мегабитных решений, предложенных различными производителями, а также высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3

Сходства Fast Ethernet с Ethernet:

- сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;

- сохранение формата кадра, принятого в стандарте IEEE 802.3;

- сохранение топологии «звезда»;

- поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и волоконно-оптического кабеля;

Таблица 2 - Стандарты Fast Ethernet

Gigabit Ethernet

Стандарт IEEE 802.3z, Gigabit Ethernet, был разработан в 1997 году. При использовании этой технологии, скорость передачи данных составляет 1000 Мбит/с.

При скорости передачи 1 Гбит/с размер минимальный размер кадра в 64 бита привёл к тому, что для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы максимальная длина сегмента сети составляла не более 20 метров. Разумеется, это было мало эффективным. Поэтому, чтобы обеспечить максимальный длина сегмента сети в 200 метров, минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт.

Таблица 3 - Стандарты Gigabit Ethernet