Форматы кадров технологии Ethernet

Задача №3

Задание: научиться рассчитывать пропускную способность сети.

Краткие теоретические сведения

Максимальная производительность сети Ethernet

Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, интересно знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.

Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины.

Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования - бит в секунду - используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду гораздо легче.

Используя параметры, приведенные в табл. 3.1, рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду. Размер кадра рассчитывается вместе с преамбулой.

ПРИМЕЧАНИЕ При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности frames-per-second, fps и packets-per-second, pps.

Таблица 3.1.

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт (минимальная длина кадра 64 байт + 8 байт преамбулы) или 576 бит (72*8), поэтому на его передачу затрачивается 57,6 мкс (время следования 1 бита 0,1 мкс * 576) (рис. 3.1.). Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,2 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с.

Рис. 3.1. К расчету пропускной способности протокола Ethernet.

Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.

Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.

Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью в бит в секунду обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.

Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:

· служебной информации кадра;

· межкадровых интервалов (IPG);

· ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:

СП =14880 * 46 *8 = 5,48 Мбит/с.

Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.

Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:

СП = 813 *1500 * 8 =9,76 Мбит/с,

что весьма близко к номинальной скорости протокола.

Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том случае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Ethernet другие узлы не мешают, что бывает крайне редко.

При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с.

ВНИМАНИЕ Отношение текущей пропускной способности сети к ее максимальной пропускной способности называется коэффициентом использования сети (network utilization). При этом при определении текущей пропускной способности принимается во внимание передача по сети любой информации, как пользовательской, так и служебной. Коэффициент является важным показателем для технологий разделяемых сред, так как при случайном характере метода доступа высокое значение коэффициента использования часто говорит о низкой полезной пропускной способности сети (то есть скорости передачи пользовательских данных) - слишком много времени узлы тратят на процедуру получения доступа и повторные передачи кадров после коллизий.

При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,976 (9,76 Мбит/с : 10 Мбит/с) при передаче кадров максимальной длины. Очевидно, что в реальной сети Ethernet среднее значение коэффициента использования сети может значительно отличаться от этой величины.

Форматы кадров технологии Ethernet

Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней.

Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся.

Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet (в которой был, естественно, описан определенный формат кадра) в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet.

Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet.

И наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

· кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

· кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

· кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

· кадр Ethernet SNAP.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 2.2.

Рис. 3.2. Форматы кадров Ethernet

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (рис. 2; поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны).

· Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.

· Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.

· Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), a если 1, то это групповой адрес (multicast). Групповой адрес может предназначаться всем узлам сети или же определенной группе узлов сети. Если адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление 0*FFFFFFFFFFFF, то он предназначается всем узлам сети и называется широковещательным адресом (broadcast). В остальных случаях групповой адрес связан только с теми узлами, которые сконфигурированы (например, вручную) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса - централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно, с помощью комитета IEEE. Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования, так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI). Этот идентификатор помещается в 3 старших байта адреса (например, идентификатор 000081 определяет компанию Bay Networks). За уникальность младших 3-х байт адреса отвечает производитель оборудования. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д.

ВНИМАНИЕ В стандартах IEEE Ethernet младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит – в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка бит в байте соответствует порядку передачи бит в линию связи передатчиком Ethernet. В стандартах других организаций, например RFC IETF, ITU-T, ISO, используется традиционное представление байта, когда младший бит считается самым правым битом байта, а старший - самым левым. При этом порядок следования байтов остается традиционным. Поэтому при чтении стандартов, опубликованных этими организациями, а также чтении данных, отображаемых на экране операционной системой или анализатором протоколов, значения каждого байта кадра Ethernet нужно зеркально отобразить, чтобы получить правильное представление о значении разрядов этого байта в соответствии с документами IEEE. Например, групповой адрес, имеющийся в нотации IEEE вид 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 или в шестнадцатеричной записи 80-00-A7-F0-00-00, будет, скорее всего, отображен анализатором протоколов в традиционном виде как 01-00-5E-0F-00-00.

· Адрес источника (Source Address, SA) - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

· Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.

· Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, - чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.

· Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

· Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3

Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.

Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 2. Из рисунка видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/L'LC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.