Берри Нанс. Компьютерные сети

Подождите немного. Документ загружается.

 Сетевой. Этот уровень выполняет функции переключения и

маршрутизации пакетов. Он отвечает за адресацию и доставку пакетов.

 Транспортный. Когда в процессе обработки находится более одного

пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения

компонент сообщения. Если приходит дубликат принятого ранее сообщения, то

данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

 Сеансный. Функции этого уровня состоят в координации связи между

двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях.

Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих

функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов

сообщений в течение сеанса и завершение сеанса.

 Уровень представления. Служит для преобразования данных из

внутреннего формата компьютера в другой формат. Такая ситуация может

возникнуть в ЛВС с неоднотипными ПК (IBM PC, Macintosh, DEC, Next,

Burrough), которым необходимо обмениваться данными.

 Прикладной. Этот уровень является пограничным между прикладной

программой и процессами модели OSI. Сообщение, предназначенное для

передачи через компьютерную сеть, попадает в модель OSI в данной точке,

проходит до уровня (физического), пересылается на другую рабочую станцию,

проходит от уровня в обратном порядке до достижения прикладной программы

на другой рабочей станции через ее прикладной уровень.

Для объяснения работы различных уровней можно использовать

аналогию с почтовой службой США. Прикладной уровень представляется

•чистом бумаги, согнутым так, чтобы войти в конверт. Уровень представления -

это конверт с прозрачным окошком для адреса. Сеансный Уровень - это

конверт с именами отправителя и адресата, видимыми через окошко.

Транспортный уровень аналогичен почтовому отделению. Сетевой уровень

выполняет функции почтальона. Канальный уровень Работает как почтовый

ящик. И физический уровень - это, конечно, служба доставки почты.

Один из факторов, который делает сетевую ОС каждого производителя

Фирменной" (в отличие от открытой архитектуры), это несовместимость

Моделью OSI.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТОКОЛОВ НИЗКОГО УРОВНЯ

Связь между компонентами ЛВС осуществляется по двум основным

принципам - обнаружение коллизий (столкновений) и передача маркера.

Примерами систем на базе принципа обнаружения коллизий и передачи

маркера являются, соответственно, системы Ethernet и Token Ring.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE- Institute of

Electrical and Electronic Engineers) определил и опубликовал в качестве

стандарта наборы физических характеристик, которым должны удовлетворять

ЛВС с обнаружением коллизий и ЛВС с передачей маркера. Эти документы

называются стандартами IEEE 802.3 (Ethernet) и IEEE 802.5 (Token Ring).

Однако необходимо иметь в виду, что реальный Ethernet и IEEE 802.3 немного

отличается в определении пакета. С точки, зрения этих стандартов адаптер

фирмы IBM типа Token Ring с производительностью 16 Мбит/с является

некоторым расширением стандарта IEEE 802.5 Token Ring. Ниже в этой главе

мы познакомимся с форматами пакетов Ethernet и Token Ring

Некоторые ЛВС не отвечают ни стандарту IEEE 802.3, ни стандарту IEEE

802.5. Например, система ARCNet, выпускаемая фирмами Datapoint

Corporation, Standard Microsystems и Thomas-Conrad, а также StarLan фирмы

AT&T, VistaLan фирмы Allen-Bradley, LANtastic фирмы Artisoft, Omninet

фирмы Corvus, PC Net фирмы IBM, ProNet фирмы Proteon.

Новым стандартом физической среды для ЛВС является система FDDI

(Fiber Distributed Data Interface - Оптоволоконный интерфейс распределения

данных). Эта система использует оптоволоконный кабель со схемой передачи

маркера, аналогичной IEEE 802.5, и имеет производительность 100 Мбит/с.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ETHERNET

В ЛВС, работающей по схеме обнаружения коллизий (полное ее название

CSMA/CD - Множественный доступ с проверкой несущей и обнаружением

коллизий), адаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети.

При необходимости передачи данных узел должен дождаться освобождения

ЛВС, и только после этого он может приступить к передаче. Однако в этом

случае передача сообщений может начаться одновременно двумя или более

узлами ЛВС. Это и называется коллизией. Узлы должны будут повторить свои

сообщения, причем повтор сообщений в таких случаях производится адаптером

самостоятельно без вмешательства прикладной программы. Время,

затрачиваемое на обнаружение и обработку таких событий, обычно не

превышает микросекунды.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ. Часто приходится слышать жалобы на

плохую производительность ЛВС Ethernet. Однако в 90 процентах

случаев эти жалобы можно отнести на счет нарушений контактов в

кабелях и плохой работы адаптеров.

В ЛВС Ethernet узлы передают сообщения со скоростью 10 Мбит/с. Все

узлы принимают каждое сообщение, но только тот из них, кому адресовано

данное сообщение, посылает в ЛВС подтверждение о его приеме. На рис. 5.5

показана ЛВС Ethernet.

Рис. 5.5. Сеть Ethernet

Основными поставщиками оборудования для сетей Ethernet являются

фирмы DEC и 3Com, но его предлагают также AST Research, Data General,

Excelan, Gateway Communications, Micom-Interlan, Proteon, RAD Data

Communications, Thomas-Conrad, Ungermann-Bass, Western Digital, Zenith.

Впервые экспериментальная ЛВС Ethernet, послужившая основой для

стандарта, была создана в Исследовательском Центре Пало Альто (PARC - Palo

Alto Research Center) фирмы Xerox в 1975 году. Обычно Ethernet работает с

производительностью 10 Мбит/с с 50-Омным коаксиальным кабелем.

Современная версия Ethernet 2.0 была принята в 1982 году.

Первая версия стандарта IEEE 802.3, аналогичного Ethernet, была

опубликована в 1985 году. Различия между двумя стандартами находятся в

области архитектуры ЛВС и форматов пакетов.

Что касается архитектуры ЛВС, то в стандарте IEEE 802.3 уровни MAC и

LLC различаются, а в оригинале Ethernet эти уровни выступают как единый

уровень,-называемый уровнем связи данных или канальным уровнем. В

оригинале также определяется протокол для тестирования конфигурации

Ethernet (ЕСТР - Ethernet Configuration Test Protocol), отсутствующий в

стандарте IEEE 802.3. Но наиболее важными различиями в стандартах являются

различия между типами и длиной полей в пакетах. Эти различия могут иногда

приводить к несбвмести-мости этих стандартов, поэтому мы рассмотрим их

подробнее.

Использование пакетов в Ethernet

На рис. 5.6 показано расположение и определение полей пакета в

оригинальной системе Ethernet.

Ниже приводятся описания этих полей:

 Преамбула. Это поле длиной 8 байт используется для синхронизации

пакета. Преамбула всегда содержит код 10101010 в первых семи байтах и код

10101011 в последнем байте.

 Назначение. Это поле длиной 6 байт содержит адрес узла ЛВС,

которому предназначено сообщение. Старший (самый левый) бит в первом

байте имеет специальное назначение. Если он равен 0, то адрес назначения

является физическим адресом и уникален в ЛВС. В соответствии со схемой

присвоения имен, принятой фирмой Xerox первые три байта задают адрес

группы, а следующие три байта задают локальный адрес в группе. Если же этот

бит равен 1, то пакет является широковещательным, и тогда остальные байты в

этом поле могут адресовать пакет какой-нибудь конкретной группе рабочей

станции или всем рабочим станциям в ЛВС (если все биты равны 1).

Рис. 5.6. Пакет Ethernet

 Источник. Это поле также имеет длину 6 байт и идентифицирует узел,

отправивший пакет. Старший бит первого байта в этом поле всегда равен 0.

 Тип. Это поле содержит два байта и идентифицирует тип протокола

более высокого уровня, используемого для его передачи или приема. Оно было

введено фирмой Xerox для внутреннего употребления и никак не

интерпретируется в Ethernet. Это поле позволяет множеству протоколов

высокого уровня (называемых уровнями клиента) разделять ЛВС без того,

чтобы вникать в содержимое пакетов друг друга.

 Данные. Это поле может иметь длину от 46 до 1500 байт и содержит

данные, составляющие сообщение.

 СВС-сумма. Последнее поле длиной 4 байта содержит остаток

избыточной циклической суммы (cyclic redundancy checksum), вычисленный с

помощью полиномов типа CRC-32. Узел, получивший сообщение, должен

также произвести вычисления типа CRC-32 и сравнить полученный результат с

содержимым этого поля для выявления ошибок передачи.

Если не учитывать преамбулу, то можно видеть, что сообщение Ethernet

имеет длину от 64 до 1518 байт, и минимальная длина данных сообщения равна

46 байтам.

Использование пакетов IEEE 802.3

На рис. 5.7 приведен формат пакета по стандарту IEEE 802.3, который

содержит следующие поля:

 Преамбула. Это поле содержит 7 одинаковых байтов 10101010,

предназначенных для синхронизации.

 Признак начала пакета. Это поле содержит один байт 10101011. Как

видим, признак начала пакета вместе с преамбулой в точности соответствуют

полю преамбулы в Ethernet.

 Назначение. Содержит 2 или 6 байт в зависимости от типа

установленной ЛВС IEEE 802.3. Он указывает для какой рабочей станции

данный пакет предназначен. Заметим, что в конкретной ЛВС длин, адресного

поля должна быть или 2 или 6 байтов. Самый популярны] тип ЛВС из IEEE

802.3, называемый 10BASE5, имеет длину адресного поля 6 байт. Первый бит

адреса назначения, называемый I/G, определяет кому предназначен пакет -

группе или отдельному узлу Значение этого бита равно 1, если пакет

предназначен группе (широковещательное сообщение), и равно 0, если он

предназначен отдельному узлу. В случае двухбайтового адресного поля

остальные 15 бит определяют адрес узла, которому предназначено сообщение.

Если ж длина адресного поля равна 6 байтам, то тогда второй бит, следующий

за битом I/G, называется битом признака универсального или локального

адреса U/L. Значение этого бита равно 0, если адрес является глобальным, и 1,

если локальным. Остальные 46 бит определяю адрес узла.

 Источник. Длина этого поля равна 2 или б байтам и содержит адрес

отправителя. Бит I/G (первый) всегда равен 0.

 Длина. Это двухбайтное поле содержит информацию о длине данных в

пакете.

 Данные. Это поле может иметь длину от 0 до 1500 байт. Если длин,

этого поля меньше 46 байт, то следующее поле (набивка) используете для

доведения длины пакета до нужного уровня.

 Набивка. В это поле вставляются пустые символы для доведени. длины

пакета до минимально допустимой величины. При достаточв большой длине

поля данных поле набивки может отсутствовать.

 CRC-сумма. Поле длиной 4 байта содержит остаток избыточное

циклической суммы, вычисленный посредством полиномов типа CRC 32, такое

же, как в Ethernet.

Рис. 5.7. Пакет стандарта IEEE 802.3

Длина пакета как для Ethernet, так и для IEEE 802.3 (предполагаем тип

10BASE5), находится в диапазоне от 64 до 1518 байт, не считая преамбулы и

признака начала пакета. Однако в стандарте IEEE 802.3 имеется возможность

передачи прикладной программой данных длиной менее 46 байтов благодаря

тому, что на уровне MAC пакет будет автоматически дополнен до нужного

размера пустыми символами. В противоположность этому в стандарте Ethernet

такие ситуации будут рассматриваться как ошибочные.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ TOKEN RING

ЛВС с передачей маркера представляет собой кольцо. Даже если сеть

соединена кабелями в виде звезды, пакет в ней передается от узла к узлу по

кольцу до тех пор, пока не вернется в точку, где был порожден. Такая ситуация

представлена на рис. 5.8. Рабочая станция передает пакет устройству MSAU

(Multistation Access Unit - Устройство для доступа к множеству станций),

которое осуществляет маршрутизацию пакета следующему узлу.

Рис. 5.8. Сеть Token Ring

Каждый узел ЛВС принимает пакет от верхнего по течению соседа,

восстанавливает уровни сигналов до номинальных и передает пакет соседу

ниже по течению. Передаваемый таким образом пакет может содержать

данные, направляемые от одного узла ЛВС к другому, или являться маркером.

Маркером называется 3 байтовое сообщение, являющееся признаком того, что

ЛВС свободна.

Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер

дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий

данные, сформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает

результат далее по ЛВС.

Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет

своего адресата, который установит в нем определенные биты для

подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь

в ЛВС. Пакет продолжит путешествие по ЛВС до возвращения в узел, из

которого

бил испущен. Здесь после проверки того, что пакет без ошибок был

передан адресату, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер. Таким

образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии.

В настоящее время компоненты для построения ЛВС Token Ring с

производительностью от 4 до 16 Мбит/с производятся не только IBM, но и

различными фирмами, включая Thomas-Conrad, Gateway Communications,

Western Digital, 3Com, General Instrument, Harris Data Communications, Madge

Networks, NCR, Proteon, Pure Data, Racore, RAD Data Communications,

DatAmerica, Siecor, в том числе (Proteon и Siecor) на основе оптоволоконных

кабелей.

РЕЖИМ РАННЕЙ ПЕРЕДАЧИ МАРКЕРА

(ETR – Early Token Release)

Этот режим довольно сложен в понимании, впрочем как вся система

Token Ring. B свободной в какой-то момент времени сети, рабочие

станции передают друг другу маркер. Сеть оказывается занятой

(переносит информацию), .когда рабочая станция принимает маркер и

превращает в пакет данных, направляемый к файл-серверу или от него.

После приема адресатом пакет продолжает циркулировать по сети пока

не достигнет узла источника. Узел-источник вновь превращает пакет в

маркер, который снова будет проходить по кольцу.

При передаче небольших; сообщений (например, запросов на чтение

файла), возникают: непродуктивные задержки на время, необходимое для.

полного оборота сообщения через множество станций. Узел после

передачи сообщения мог бы отправить в ЛБС некоторое количество

символов, до тех пор пока сообщение, совершив полный оборот, вернется

назад. Типовое значение числа таких символов находится в диапазоне от

50 до 100 при производительности ЛВС 4 Мбит/с и до 400 символов при

производительности 16 Мбит/с.

В системе ETR, возможной только ЛВС с производительностью 16

Мбит/с, для уменьшения таких непроизводительных задержек рабочая

станция передает маркер сразу после передачи своего пакета. При этом у

следующих рабочих станций появляется возможность передачи

собственного сообщения - новый маркер, сразу после передачи сообщения

источника/приемника. Если бы имелась возможность видеть сигналы

проходящие в ЛВС то в системе ETR мы увидели бы за каждым пакетом

последовательность, состоящую из пакетов и маркеров, а не длинный

хвост из пустых символов, как это имело бы место в обычной системе.

Использование пакетов в Tbken Ring

В 1985 году фирмы IBM и Texas Instruments совместно разработали набор

интегральных схем TMS380. Позже фирма IBM разработала вместо него свой

собственный набор интегральных схем, который в значительной степени

совместим с TMS380. Набор TMS380 реализует в стандарте IEEE 802.&.

функции физического и канального уровней модели OSI. Причем поддери

уживаются функции MAC и LLC подуровней канального уровня. Первая версия

набора интегральных схем содержала 5 корпусов. В настоящее время,

благодаря прогрессу в технологии производства интегральных схем все удается

разместить в одном корпусе. Набор TMS380 выполняет следующие функции:

 Схемы. TMS38051 u TMS38052. Эти схемы работают на самом низком

уровне - уровне интерфейса с кабелем - и выполняют функции приема/передачи

пакетов, синхронизации и проверки отсутствия повреждений в кабелях.

 Схема TMS38020. Эта схема управляет функциями протокола IEEE

802.5.

 Схема ПЗУ. Она содержит коды программы, выполняющей функции

управления и диагностики.

 Схема TMS38010. Эта схема является 16-разрядным

специализированным микропроцессором для управления коммуникациями.

Она выполняет программы, записанные в ПЗУ, и имеет буферное ОЗУ для

хранения 2,75К передаваемых или принимаемых данных.

Большинство представляет себе Token Ring как единый кабель,

проходящий через все ПК в ЛВС и образующий кольцо, хотя на самом деле он

состоит из набора межкомпьютерных связей. При этом сообщения, переданные

одной рабочей станцией, принимаются следующей. Та, в свою очередь,

посылает их ниже по течению. Сеть является логическим кольцом, так как

рабочая станция по отношению к другой находится одновременно и выше и

ниже по течению. С точки зрения связи любое сообщение от рабочей станции

идет только до ближайшего соседа.

Не все рабочие станции в ЛВС являются равноправными, хотя внешне •

это никак не проявляется. Одна из рабочих станций предназначается для I

выполнения функций активного монитора. Это означает, что в ее обязанности

входят дополнительные контрольные функции в кольце. Активный монитор

осуществляет временной контроль в логическом кольце, передает новые

маркеры (при необходимости) для сохранения работоспособности кольца и

создает диагностические пакеты при определенных обстоятельствах. Активный

монитор назначается при инициализация f ЛВС, и им может быть любая из

рабочих станций. На случай когда активный монитор выйдет из строя по

каким-нибудь причинам, имеется механизм, посредством которого другие

рабочие станции (запасные мониторы) принимают решение о том, которую из

них назначить новый активным монитором.

В стандарте IEEE 802.5 определены три формата для пакетов сообщений

маркеры, пакеты и последовательности завершения. Эти форматы обсуждаются

в следующем разделе.

Использование маркеров

На рис. 5.9 представлен первый из форматов пакетов сообщений

стандарта IEEE 802.5, называемый маркером. Вообще говоря, маркер является

не сообщением, а признаком того, что наступила очередь передачи сообщения

для данной рабочей станции.

Рис. 5.9. Маркер

Маркер имеет три поля длиной по одному байту каждое (всего 24 бита):

 начальный разделитель пакета (SD - Start Delimiter) и контроль доступа

(-Access Control)

 концевой разделитель пакета (ED - End Delimiter)

Начальный разделитель (SD) расположен в первом байте маркера (также

как и для любого другого пакета в ЛВС). Он является не просто комбинацией О

и 1, а сопровождается также еще и уникальной последовательностью

электрических импульсов, присущих только ему. Эта мера принята для

сведения к минимуму вероятности перепутать это поле с каким-нибудь другим.

Реализовано это таким образом, что начало байта содержит 4 этих импульса

длиной 1 бит каждый, а остальные 4 бита содержат нули.

Следующим полем является поле контроля доступа (АС). Это поле

разделено на четыре области следующим образом:

P P P T M R R R,

где символы РРР представляют биты приоритета, Т - бит маркера, М - бит

монитора и RRR - биты резервирования.

Сетевой адаптер имеет возможность присваивать приоритеты маркеру

или пакетам сообщений путем записи в поле битов приоритета числа в

диапазоне от 0 до 7 (значению 7 соответствует наивысший приоритет). Рабочая

станция имеет право передачи сообщения в ЛВС (преобразования маркера в

сообщение) только в том случае, когда ее собственный приоритет не ниже

приоритета маркера, который она получила. Более глубокое представление о

том, как это Работает, можно получить при рассмотрении битов

резервирования. Бит маркера равен 1 для маркера и 0 для пакета сообщения.

Вит монитора устанавливается в 1, если пакет передан активным монитором и

равен 0 в противном случае. Поэтому получение активным МОНИТОРА пакета с

установленным в 1 битом монитора является признаком того, то сообщение или

маркер обошло ЛВС не найдя адресата. Так как превратить по возвращении

сообщение в новый маркер обязана рабочая станция пославшая его, и так как

это могут сделать только рабочие станции с приоритетом, соответствующим

приоритету сообщения, то в этом случае активный монитор считает, что

произошел сбой, прекращает передачу этого, пакета и передает новый маркер в

ЛВС.

Биты резервирования работают совместно с битами приоритета. Рабочая

станция может поместить значение своего приоритета в биты резервирования,

если ее приоритет выше текущего значения поля резервирования. Таким

образом, она резервирует дальнейшее использование сети. После этого, когда

узел передает новый маркер, он устанавливает его приоритет равным значению

поля резервирования у полученного перед этим пакета. В результате, если это

не будет отменено узлом с еще более высоким приоритетом, узел

первоначально установивший биты резервирования будет следующим узлом,

который может передать пакет в ЛВС.

Последнее поле маркера - концевой разделитель (ED), так же как и

начальный разделитель, содержит уникальную последовательность единиц и

специальных электрических сигналов для сведения к минимуму вероятности

перепутать его с чем-то другим. Это поле указывает конец маркера, и, кроме

того, имеет две области, используемые для выполнения других функций. Одна

из областей называется битом промежуточного пакета (Intermediate Frame), а

другая - битом обнаруженной ошибки (Error-detected). Эти поля будут

обсуждаться в следующем разделе, так как больше предназначены для

использования в пакетах сообщений, чем в маркере.

Пакеты сообщений

На рис. 5.10 представлен второй из форматов пакетов сообщений по

стандарту IEEE 802.5 - собственно пакет с данными. Пакеты данных содержат

сообщения, которыми ОС или прикладная программа обмениваются с другими

рабочими станциями в логическом кольце. Иногда в них может содержаться

информация, которой адаптеры самостоятельно обмениваются для

поддержания работоспособности системы.

Рис. 5.10. Пакет Token Ring, содержащий данные

Пакет состоит из нескольких групп полей - SFS (Start Frame Sequence -

Стартовая последовательность пакета), DA (Destination Address - Адрес

назначения), SA (Source Address - Адрес источника), DATA (собственно

данные), PCS (Frame Check Sequence - Контрольная сумма), EFS (End Frame

Sequence - Признак конца пакета). Эти группы полей образуют сообщение

(оболочку), которое либо несет информацию по управлению логическим

кольцом (данные уровня MAC), либо является пользовательскими данными