Глава11. Сети шинной топологии 11.1. Сеть Ethernet и стандарт IEEE-802.2
В настоящее время среди магистральных локальных сетей наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet. Данная сеть предназначена для объединения различных учрежденческих (в том числе банковских и офисных) абонентских система в локальную компьютерную сеть. Успешный опыт эксплуатации сети Ethernet позволил взять ее за основу при разработке стандарта IEEE-802.3 для магистральных сетей с множественным доступом, контролем передачи и обнаружением столкновений. Рассмотрение данной сети начнем с канального уровня, постепенно переходя к физическому уровню, техническим средствам и примерам ее реализации. Как известно, канальный уровень локальных сетей разделен на два подуровня: управления логическим каналом и управления доступом к передающей среде, первый из них определен в соответствие со стандартом IEEE 802.2, а второй — IEEE 802.3. В качестве протокольного блока данных подуровня управления доступом к передающей среде используется кадр подуровня, с помощью которого осуществляется обмен информацией между станциями сети. На рис. 11.1 представлена структура блока данных стандарта IEEE 802.3. Кадр начинается преамбулой, отвечающей за побитовую синхронизацию передачи и приема данных сетевым адаптером. С этой целью в преамбуле семь раз повторяется байт 10101010. Начало поступления информации связано с появлением начального ограничителя кадра, который представляет собой следующую последовательность бит: 10101011, отличающуюся от преамбулы значением двух последних разрядов. В поле адреса получателя размером 2 или 6 байт указывается адрес станции, которой направляется данный кадр. Первый бит адреса определяет тип адресации: нулю соответствует режим индивидуальной адресации, а единице — групповой адресации. Единица в первом бите указывает на то, что кадр должен восприниматься группой станций. Поле адреса отправителя содержит адрес станции, которой принадлежит данный кадр. Поле адреса отправителя имеет длину, равную длине поля адреса получателя, при этом первый его бит всегда равен нулю. Блок данных управления логическим каналом может иметь различную длину, поэтому для определения места его окончания необходимо указывать длину блока данных. Что и осуществляется с помощью содержимого поля длины блока данных, размер которого равен двум байтам. Перечисленные выше поля можно рассматривать в качестве заголовка кадра, непосредственно за которым следует поле блока данных и, возможно, заполнитель. В качестве блока данных выступает протокольный блок стандарта IEEE 802.2, поступающий с более высокого подуровня — управления логическим кана- лом. Напомним, что структура этого блока приведена на рис. 10.19.
Число байт 6 2 или 6 2 или 6 Преамбула 10101010 Начальный ограничитель 10101011 Адрес получателя Адрес отправителя Длина блока данных Данные Заполнитель Контрольная последовательность Рис. 11.1. Структура кадра стандарта IEEE 802.3 Далее, стандартом определяется максимальная (1518 бит) и минимальная (512 бит) длина кадра. Ограничение на минимальную длину кадра связано с механизмом обнаружения конфликтов. При передаче слишком коротких сообщений станция может успеть завершить передачу кадра данных до обнаружения коллизии. В этом случае будет считаться, что кадр передан без столкновения и не будет сделана попытка его повторной передачи. Время, в течение которого станция может обнаружить наличие кадра другой станции, называется окном конфликтов. Длительность окна конфликтов определяется суммарным временем распространения сигналов между двумя крайними станциями. Считается, что по истечении времени, равного окну конфликтов, станция захватила передающую среду, поскольку за это время все остальные станции должны обнаружить наличие передачи со стороны данной станции. Стандартом определяется максимальное значение окна конфликтов, которое используется для расчета параметров сети, в том числе минимальной длины кадра и максимальной длины сети. Максимальная длина кадра связана с вероятностью появления ошибки в кадре при его передаче. В конце кадра находится по- ле длиной четыре байта, в котором содержится контрольная последовательность кадра, вычисляемая с помощью стандартного образующего полинома 32-ой степени. Следует отметить, что кадр стандартна IEEE 802.3 отличается от исходного кадра Ethernet II назначением поля длины блока данных, которое в первоначальной версии определяло не длину, а тип кадра. Переход к указанию длины блока данных позволил реализовать новый, более эффективный тип обработки, по сравнению с используемым ранее в Ethernet II. В общем виде процедура множественного доступа к передающей среде была приведена ранее, при рассмотрении основных методов доступа. Здесь же уточним отдельные моменты этой процедуры. Услуги, предоставляемые подуровнем управления доступа к среде стандарта IEEE 802.3, дают возможность логическим объектам обмениваться блоками данных с логическими объектами подуровня доступа к передающей среде внутри самой станции, а также с логическими объектами подуровня управления логическим другой станции. С этой целью используются примитивы УДС-БЛОК-ДАННЫХ. запрос и УДС-БЛОК-ДАННЫХ. индикация. Примитив УДС-БЛОК-ДАННЫХ. запрос служит для выполнения запроса на передачу блока данных со стороны локального логического объекта одному или группе удаленных логических объектов. Примитив УДС-БЛОК-ДАННЫХ. индикация указывает на прием кадра, предназначенного локальному логическому объекту подуровня управления логическим звеном. На подуровне управления доступом к передающей среде выполняются функции (рис. 11.2) по формированию/распаковке кадров и диспетчеризации доступа к передающей среде. Следует заметить, что протокольные операции по передачи и приему кадров выполняются независимо друг от друга. Формирование кадра начинается после выдачи примитива запроса и протокольного блока данных со стороны подуровня управления логическим каналом. К полученному блоку данных добавляется преамбула, начальный ограничитель, адреса получателя и отправителя, значение длины блока данных и контрольная последовательность кадра. При необходимости в конце поля данных помещается заполнитель, дополняющий кадр до минимально допустимого размера. Сформированный таким образом кадр передается диспетчеру доступа, который следит за состоянием передающей среды с помощью сигналов, поступающих с подуровня передачи физических сигналов. Если передающая среда свободна, то после короткой задержки, называемой межкадровым интервалом, кадр передается последовательно по битам в подуровень передачи физических сигналов. Межкадровый интервал используется для стабилизации физических процессов в подуровнях управления доступом к передающей среде и передачи физических сигналов. Блок данных Блок Подуровень управления данных логическим каналом Подуровень управления доступом к среде Формирователь кадра Распаковщик Кадр Кадр Диспетчер доступа Диспетчер доступа Подуровень передачи физических сигналов Рис. 11.2. Структура подуровня управления доступом к среде В подуровне передачи физических сигналов, на основании содержимого кадра, формируются электрические сигналы, которые поступают затем в передающую среду. Одновременно с этим подуровень передачи физических сигналов следит за состоянием передающей среды, вырабатывая при необходимости сигнал обнаружения столкновений. В случае успешной передачи кадра подуровень передачи физических сигналов информирует об этом подуровень управления доступом к передающей среде и ожидает следующего запроса на передачу. При занятой среде подуровень управления доступом к передающей среде задерживает передачу своего кадра до ее освобождения, после чего начинает процедуру передачи. Если в процессе передачи обнаруживается столкновение кадров, то подуровень передачи физических сигналов вырабатывает сигнал обнаружения столкновений. По этому сигналу диспетчер доступа вместо кадра передает специальную последовательность символов "наличие конфликта", тем самым сообщая другим станциям о наличии конфликтной ситуации. Затем, через некоторый интервал времени, станция осуществляет попытку повторной передачи информации. Этот интервал определяется на основе так называемого усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки и представляет собой некоторую случайную величину, различную для конфликтующих станций. Максимальное установленное стандартом число попыток повторной передачи равно 16, после чего инициируется ошибка передачи. Следует подчеркнуть, что до завершения этих попыток запрещена передача любых других кадров. В принимающих станциях передача кадров обнаруживается подуровнем передачи физических сигналов, который с помощью сигнала "обнаружение несущей" сообщает подуровню управления доступом к среде о передаче информации в сети. Приемный элемент диспетчера доступа принимает и накапливает последовательность бит информации. При совпадении содержимого поля адреса получателя с адресом данной станции распаковщик кадра удаляет преамбулу и начальный ограничитель, проверяет длину кадра и правильность передачи кадра. При отсутствии ошибок передачи блок данных и сопровождающая его информация передаются для дальнейшей обработки на подуровень управления логическим каналом. В свою очередь, физический уровень обеспечивает сопряжение станции с физической средой, кодирование и декодирование сигналов, их буферизацию, поддерживает и восстанавливает битовую синхронизацию. Для выполнения этих функций физический уровень кроме подуровня передачи физических сигналов содержит подуровень интерфейса с модулем сопряжения и собственно подуровень модуля сопряжения со средой. Подуровень интерфейса с модулем сопряжения определяет средства подключения, в том числе и интерфейсный кабель, позволяющие размещать станции на некотором удалении от передающей среды. Данный подуровень совместно с подуровнем передачи физических сигналов образует интерфейс между подуровнями управления доступом к среде и модуля сопряжения со средой. Последний подуровень играет важную роль в организации структуры локальной сети, обеспечивая использование передающей среды различного типа. С этой целью подуровень модуля сопряжения со средой согласует параметры сигналов, поступающих из подуровня передачи физических сигналов с характеристиками физической среды. В качестве физической среды стандартом IEEE 802.3 определены два типа коаксиального кабеля, витая пара проводников и оптоволоконный кабель. Соответственно различают четыре типа спецификации передающей среды, а именно: 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T и 10BASE-F. Одной из первых появилась спецификация 10BASE5, определяющая использование толстого коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 2,17мм. В отличие от нее спецификация 10BASE2 определяет использование тонкого коаксиального кабеля с диаметром центрального провода 0,89мм. Основные электрические и механические характеристики кабеля систем 10BASE5 и 10BASE2 приведены в табл.11.1. Естественно, что характеристики кабеля оказывают влияние на параметры сети, такие как дальность передачи по кабелю без повторителей, максимальное число станций, подключаемых к одному сегменту и др. Чтобы различить сети на базе кабелей этих типов, в первом случае говорят о сети толстая Ethernet, а во втором — тонкая Ethernet. Таблица 11.1
Системе 10BASE5 удовлетворяют кабели РК-50-6-11 и РК-50-6-13, а системе 10BASE2 - кабель РК-50-3-11. Здесь: РК обозначает тип кабеля (радиокабель); 50 — его волновое сопротивление; 6 или 3 — округленное значение внутреннего диаметра экрана; 11 или 13 — шифр материала внешней оболочки. В качестве магистрального кабеля в системе 10BASE5 используется кабель RG-11. В свою очередь, для системы 10BASE2 наиболее часто используется RG58A/U. Следует заметить, что требованиям системы 10BASE5 удовлетворяют кабели РК-50-6-11 и РК-50-6-13, а требованиям системы 10BASE2 — кабель РК-50-3-11, которые также могут использоваться в сетях Ethernet. Кабель RG-11 обеспечивает более высокую надежность и помехозащищенность сети, однако его стоимость существенно больше стоимости кабеля RG58A/U. Сети систем 10BASE5 и 10BASE2 различаются также по дальности передачи по кабелю без повторителей (длине сегмента), максимальному числу станций, подключаемых к сегменту и, собственно, способу подключения их к коаксиальному кабелю. Так максимальная длина сегмента, то есть участка сети без дополнительных усилителей (повторителей), для системы 10BASE5 составляет 500 метров, к которому допускается подключение до 100 станций. На рис. 11.3 представлена структурная схема сегмента, на концах которого размещаются терминаторы, предотвращающие возникновение эффекта отраженной волны на конце коаксиального кабеля. Терминатор имеет такое же волновое сопротивление, как и коаксиальный кабель — 50 Ом. Для подключения (рис. 11.4) станций к передающей среде используется специальный приемопередатчик (трансивер) и адаптер. Транси-вер (рис. 11.5) выполняет функции модуля связи со средой, он обеспечивает прием и усиление электрических сигналов поступающих из кабеля и передачу их обратно в коаксиальный ка- бель, а также на схему обнаружения конфликтов и сетевой адаптер. Для повышения надежности сети в трансивере осуществляется гальваническая развязка электрических цепей. С помощью специального кабеля, состоящего из четырех пар проводников, и разъема DB15 трансивер связан с сетевым адаптером. Первая пара проводников используется для передачи сигналов в адаптер, вторая — для приема. Третья пара проводников используется для индикации столкновений кадров, а последняя — для подачи питания на трансивер. мах 500м
Терминатор Трансивер
Станция Рис. 11.3. Сегмент сети Ethernet 10BASE5 N-коннектор Трансивер Рис. 11.4. Подключение абонентской системы к моноканалу (система 10BASE 5) К кабелю Трансиверный кабель Прием данных Гальваническая развязка Схема обнаружения конфликтов Конфликт Передача данных Питание
I К кабелю Рис. 11.5. Структурная схема трансивера При передаче информации сигналы из адаптера по цепи передачи данных поступают в коаксиальный кабель, смешиваясь в нем с другими сигналами. Возвращаясь из коаксиального кабеля, сигнал поступает в схему обнаружения конфликтов, где сравнивается с исходным сигналом, поступившим из адаптера. В случае конфликта, который определяется по несовпадению этих сигналов или превышению допустимого уровня сигнала в схеме обнаружения конфликтов, в адаптер передается сообщение о конфликте доступа к передающей среде. Функции кодирования и декодирования, относящиеся к физическому уровню, а также функции подуровня управления доступом к передающей среде реализуются с помощью сетевого адаптера (рис. 11.6). Блок кодирования/декодирования осуществляет преобразование поступающего из формирователя кадров потока символов в манчестерский код, добавляя преамбулу в начало каждого кадра. Информация, поступающая из трансивера, претерпевает обратное преобразование, т.е. удаляется преамбула и осуществляется декодирования манчестерского кода. Блок управления доступом к среде реализует протокол управления доступом к передающей среде, включая дешифрацию адреса поступившего кадра данных. Формирователь кадров добавляет служебную информацию к блоку данных, поступившему из интерфейса со станцией. При поступлении информации из блока кодирования/декодирования информации формирователь кадров выполняет обратную процедуру по распаковке кадра и передаче его содержимого в интерфейс со станцией. Следует отметить, что здесь рассмотрена структура стандартного сетевого адаптера, большинство же современных адаптеров реализуют еще и подуровень управления логическим звеном, что существенно повышает эффективность работы локальной компьютерной сети.
К
|
" """
