Форматы кадров Ethernet
Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Напомним, что практически каждой сетевой технологии (независимо от ее уровня) соответствует единица передачи данных: Ethernet-кадр, АТМ-ячейка, IP-дейтаграмма и т. д. Данные по сети в чистом виде не передаются. Как правило, к единице данных «пристраивается» заголовок. В некоторых сетевых технологиях добавляется также окончание. Заголовок и окончание несут служебную информацию и состоят из определенных полей. Так как существует несколько типов кадров, для того, чтобы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадров. Кадры могут быть четырех разных форматов, несколько отличающихся друг от друга. Базовых форматов кадров (raw formats) существует всего два — Ethernet II и Ethernet 802.3. Эти форматы отличаются назначением всего одного поля. Для успешной доставки информации получателю каждый кадр должен кроме данных содержать дополнительную служебную информацию: длину поля данных, физические адреса отправителя и получателя, тип сетевого протокола и т. д. Большинство сетевых администраторов не уделяет должного внимания типам кадров Ethernet, а это может явиться источником проблем. Например, если клиентское сетевое программное обеспечение настроено на неверный тип кадра, то пользователь не сможет взаимодействовать с сервером. За типом кадра приходится особенно внимательно следить в сетях Novell NetWare, так как в новых версиях этой операционной системы тип кадра по умолчанию был изменен с 802.3 на 802.2. Кроме того, в корпоративных сетях применяются устройства от нескольких поставщиков, базирующихся на разных протоколах взаимодействия и использующих различные типы кадров. Для того чтобы рабочие станции имели возможность взаимодействовать с сервером в одном сегменте сети, они должны поддерживать единый формат кадра. Существуют четыре основных разновидности кадров Ethernet: Ethernet Type II Ethernet 802.3 q Ethernet 802.2 Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol). Рассмотрим поля, общие для всех четырех типов кадров (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Общий формат кадров Ethernet Поля в кадре имеют следующие значения: Поля «Преамбула» и «Признак начала кадра» предназначены для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет при вычислении длины кадра. Поле «Адрес получателя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеровEthernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяются непосредственно самим производителем. Например, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное значение. Если он равен 0, то это адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 — широковещательный. Обычно в широковещательном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF). Поле «Адрес отправителя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю. Поле «Длина/тип» может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип — то содержимое поля указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP - 0800. Поле «Данные» содержит данные кадра. Чаще всего — это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированной длины. Поле «Контрольная сумма» содержит результат вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется. Следует отметить, что минимальная допустимая длина для всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная — 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий. Рассмотрим более подробно форматы кадров разных типов. Тип кадра Ethernet II используется многими протоколами верхнего уровня, такими как TCP/IP, IPX и AppleTalk. Данный тип кадра был разработан фирмамиDEC, Intel и Xerox. Необходимо учитывать, что хотя данный тип кадра является наиболее широко используемым, он не одобрен организациями IEEE и ISO. Формат данного типа кадра отличается от рассмотренного выше только тем, что в поле «Длина/тип» всегда указывается тип протокола. Сетевые операционные системы Novell NetWare 2.х и З.х (за исключением 3.12) по умолчанию используют кадрыEthernet 802.3. Хотя в названии этого типа кадра есть упоминание комитета IEEE, последний не имел никакого отношения к его разработке. Данный тип кадра не содержит никакой информации о протоколе. Поле «Длина/тип» всегда указывает длину кадра. В результате нет стандартных методов идентификации сетевого протокола, которому принадлежит данный кадр. Однако в соответствии с концепцией фирмы Novell, только протокол IPX может использоваться с данным типом кадров. Разработана специальная последовательность действий для определения того, что именно протоколIPX был инкапсулирован в кадр данного типа. Проверяется поле «Длина/тип». Если оно содержит значение между 0 и 1518 (05ЕЕ), то данное поле определяет длину кадра, а не тип протокола (то есть это кадр 802.3, в противном случае — кадр Ethernet II). Проверяются следующие два байта за полем «Длина/тип». Если они содержат FFFF, это означает, что кадр принадлежит протоколу IPX, так как заголовок этого протокола всегда начинается с FFFF. В результате стандартизации сетей Ethernet подкомитетом IEEE 802.3 появился кадр Ethernet 802.2. Этот кадр является базовым для операционных систем Novell Netware версий 3.12 и 4-х. В данном типе кадра сразу за адресом отправителя следует поле длины, имеющее такое же назначение. Кроме того, этот тип кадра содержит несколько дополнительных полей, рекомендованных подкомитетом IEEE 802.3 Эти поля располагаются за полем «Длина/тип» и имеют следующее назначение: Поле «DSAP» указывает на используемый получателем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит в нем зарезервирован). Для протокола IPX значение поля равно Е0, для протоколов IP — 06, дляNetBIOS – F0. Поле «SSAP» указывает на используемый отправителем протокол сетевого уровня. Размер данного поля составляет 1 байт (один бит зарезервирован). Обычно значение данного поля совпадает со значением поля DSAP. Поле «Контроль» указывает на тип сервиса, требуемый для сетевого протокола. Размер данного поля составляет 1 байт. Сетевая операционная система Novell NetWare устанавливает значение данного поля в 03. Формат кадра Ethernet 802.2 имеет некоторые недостатки, в частности он содержит нечетное число байтов служебной информации. Это не совсем удобно для работы большинства сетевых устройств. Кроме того, для идентификации протокола сетевого уровня отводится 7 бит, что позволяет поддерживать «всего» 128 различных протоколов. Кадр Ethernet SNAP, являющийся дальнейшим развитием Ethernet 802.2, содержит следующие дополнительные поля (рис. 1.6): Поле «Код организации» имеет длину три байта и указывает на код организации (фирмы), которая присвоила значения поля «Идентификатор протокола». Если значение поля равно 000000 (а это так практически всегда, за исключением сетей AplleTalk), то поле «Идентификатор протокола» содержит значение, которое обычно помещается в поле «Длина/ тип», то есть идентификатор протокола верхнего уровня. Поле «Идентификатор протокола» имеет длину два байта и идентифицирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный в поле «Данные» кадра. При использовании протокола IPX это поле содержит значение 8137. В большинстве локальных и глобальных сетей есть ограничение на максимальный размер кадра. Эту величину называют максимальной единицей передачи (MTU- maximum Transmission Unit ). В совокупности эти два поля составляют дополнительное пятибайтовое поле для идентификации протокола. Это было сделано для увеличения числа поддерживаемых протоколов.
Рис.3.2 Формат кадра Ethernet SNAP Нужно отметить, что сетевой протокол IPX может использовать любой из рассмотренных выше четырех типов кадров, чего нельзя сказать об остальных сетевых протоколах. В таблице 3.1. приводятся протоколы, которые могут быть использованы с тем или иным типом кадра. Таблица 3.1. Совместимость кадров Ethernet с протоколами верхних уровней
Дальнейшее развитие технологии Ethernet В настоящее время самой распространенной сетевой технологией является именно Ethernet. По данным IDC, в 1997 году более 80 % всех сетей были построены на базе Ethernet. Все популярные операционные системы и стеки протоколов (TCP/IP, IPX, DECNet и т. д.) поддерживают Ethernet. Причинами такого господства Ethernet в сетевом мире являются высокая надежность, доступность инструментов управления, масштабируемость, гибкость, низкая стоимость и легкость внедрения. Технология Ethernet достаточно бурно эволюционировала с момента своего зарождения. В табл. 3.2 показана шкала эволюционного развития, представленная в формате nBASE-X (n — номинальная скорость передачи информации в Мбит/с, а Х — среда передачи). В табл. 3.3 также приведена максимально допустимая длина кабеля. Таблица 3.3.4. Технологии и соответствующие скорости передачи
Протяженность кабеля для скоростей 1 Гбит/с приведена из текущего стандарта IEEE 802.3z, находящегося в стадии утверждения. Изначально технология Ethernet была ограничена тем, что множество пользователей конкурировали за одну полосу пропускания в 10 Мбит/с. Однако со временем были найдены интересные решения, частично снимающие эту проблему. В их основе лежит использование коммутаторов, которые в отличие от традиционных мостов имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между несколькими портами одновременно. Это позволяет эффективно применять коммутаторы и для таких сетей, в которых трафик между сегментами практически не отличался от трафика, циркулирующего в самих сегментах. Технология Ethernet после появления коммутаторов перестала казаться совершенно бесперспективной, так как появилась возможность соединить низкую стоимость устройств Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов. Используя технологию коммутируемого Ethernet, каждое устройство получает выделенный канал между собой и портом коммутатора. Технология коммутации прижилась в сетях очень быстро. Обеспечивая передачу данных со скоростью канала связи между различными сегментами локальной сети (иными словами, между портами коммутатора), коммутация позволяет создавать крупные сети с эффективной системой управления. Кроме того, эта технология стала толчком к созданию концепции виртуальных локальных вычислительных сетей (ВЛВС). Однако необходимость организации магистрали сети, к которой подключаются отдельные коммутаторы, не отпала. Если множество сегментов сети работают на скорости 10 Мбит/с, то магистраль должна иметь скорость значительно большую. В начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 часть канала «память-диск» и хорошо согласовывалась с соотношением между объемом локальных и внешних данных, циркулирующих в компьютере. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium Pro и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты Ethernet на 10 Мбит/с стали перегруженными, время реакции серверов и частота возникновения коллизий в таких сегментах значительно возросли, еще более снижая реальную пропускную способность. В ответ на эти требования была разработана технология Fast Ethernet, являющаяся 100-мегабитной версией Ethernet. Следует отметить, что увеличение скорости в 10 раз приводит к уменьшению максимального расстояния между узлами. Сначала было предложено простое решение задачи построения магистрали — несколько коммутаторовEthernet связывались вместе по витой паре или волоконно-оптическому кабелю — так называемая коллапсированная магистраль. Но возникла проблема, когда потребовалось связать коммутаторы, находящиеся на больших расстояниях. Она была решена с помощью организации выделенного, свободного от коллизий оптоволоконного канала связи. В этом случае коммутаторы могли связываться напрямую на расстояния до 2 км. Как видно, технология Fast Ethernet обеспечила достаточно всеобъемлющее решение для построения сетей масштаба одного или нескольких зданий. Одобрение стандарта на технологию Fast Ethernet в 1995 году стало важным событием для сообщества производителей сетевого оборудования, так как появилась гибкая, быстрая и масштабируемая технология передачи данных. До разработки технологий коммутации и Fast Ethernet среди специалистов по сетевым технологиям господствовало мнение, что технологии ATM и FDDI будут оптимальным решением для организации магистрали сети. Однако в настоящее время технология Fast Ethernet часто конкурирует с упомянутыми технологиями в этой области. Кроме того, активно разрабатывается и внедряется технология Gigabit Ethernet.
Fast Ethernet Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе следующего года группа производителей объединилась в организацию, названную Альянсом Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance — FEA). Цель этого альянса заключалась в скорейшем одобрении стандарта Fast Ethernet комитетом IEEE. В июне 1995 года все процедуры стандартизации были успешно завершены, и технология Fast Ethernet была стандартизирована в документе 802.3и. При рассмотрении стандарта много времени уделялось сохранению метода доступа CSMA/CD. Все предложенные решения опирались на этот метод, что вполне естественно, так как он позволяет сохранить преемственность с сетями l0Base-T и l00Base-T. CSMA/CD определяет способ передачи данных по сети от одного узла к другому через кабельную систему. В модели OSI протокол CSMA/CD является частью уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ получения доступа сетевого устройства к сети для передачи данных. Компании HP и AT&T предложили совершенно отличный от CSMA/CD метод доступа, который был назван Demand Priority. Однако он был поддержан гораздо меньшим числом сетевых производителей. Для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12. Стандарт Fast Ethernet определяет три модификации для работы с разными видами кабелей: 100BaseTX, 100BaseT4 и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны на витую пару, а 100BaseFX был разработан для оптического кабеля. Стандарт 100BaseTX требует применения двух пар неэкранированных или экранированных витых пар. Одна пара служит для передачи, другая — для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: на неэкранированную витую пару категории 5 и экранированную витую пару типа 1 от IBM. Стандарт 100BaseT4 имеет менее ограничительные требования к кабелю, так как в нем задействуются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна пара для передачи, другая для приема, а оставшиеся две пары работают как на передачу, так и на прием. В результате в стандарте 100BaseT4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Для реализации сетей 100BaseT4 подойдут кабели с неэкранированной витой парой категорий 3-5 и экранированный типа 1. Технология Fast Ethernet включает в себя также стандарт для работы с многомодовым оптоволоконным кабелем. Этот стандарт (100BaseFX) ориентирован, в основном, на применение в магистрали сети или для организации связи удаленных объектов. Преемственность технологий Fast Ethernet и Ethernet позволяет легко выработать рекомендации по применению:Fast Ethernet целесообразно применять в тех организациях, которые широко использовали классический Ethernet, но сегодня испытывают потребность в увеличении пропускной способности. При этом сохраняется весь накопленный опыт работы с Ethernet и, частично, сетевая инфраструктура. Хотя Fast Ethernet и является развитием стандарта Ethernet, переход к 100BaseT требует некоторого изменения в топологии сети. Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет 250 м. Это ограничение определено самой природой метода доступа CSMA/CD и скоростью передачи в 100 Мбит/с. Для классического Ethernet время прослушивания сети определяется максимальным расстоянием, которое 512-битный кадр может пройти по сети за время, равное времени обработки этого кадра на рабочей станции. Для сетиEthernet это расстояние равно 2500 м. В сети Fast Ethernet этот же самый 512-битный кадр за время, необходимое на его обработку рабочей станцией, пройдет всего 250 м. Если принимающая станция будет удалена от передающей на расстояние свыше 250 м, то кадр может вступить в конфликт с другим кадром на линии, а передающая станция, завершив передачу, уже опоздала бы с реакцией на этот конфликт. Поэтому максимальный диаметр сети 100BaseT составляет 250 м. Для увеличения допустимой дистанции необходимо использовать два повторителя для соединения всех узлов. В соответствии со стандартом Fast Ethernet расстояние между концентратором и рабочей станцией не должно превышать 100 м. Для установки Fast Ethernet потребуются сетевые адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100BaseT и, возможно, некоторое количество коммутаторов 100BaseT. К моменту появления стандарта Fast Ethernet в построении локальных сетей масштаба здания сложился следующий подход — магистраль крупной сети строилась на технологии FDDI (высокоскоростной и отказоустойчивой, но весьма дорогой), а сети рабочих групп и отделов использовали Ethernet или Token Ring. Основная область использования Fast Ethernet сегодня — это сети рабочих групп и отделов. Целесообразно совершать переход к Fast Ethernet постепенно, оставляя Ethernet там, где он хорошо справляется с поставленными задачами. Одним из очевидных случаев, когда Ethernet не следует заменять технологией Fast Ethernet, является подключение к сети старых персональных компьютеров с шиной ISA.
|
