Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Тема дипломной работы: «Разработка интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi».

Пояснительная записка содержит:

129 листов

75 рисунков

9 таблиц

1 приложение

20 используемых источников.

Перечень ключевых слов: Wi-Fi, беспроводные сети, локальные сети, технологии, Ethernet, пропускная способность, оборудование, точка доступа, стандарт 802.11, кадр.

Цель работы: разработать сеть доступа, состоящую из проводного сегмента, построенного по технологии Ethernet, и беспроводного сегмента Wi-Fi. Дается описание технологий, принципы действия и варианты использования. В результате разрабатывается схема интегрированной сети с указанием конкретного оборудования и его характеристиками.

Область применения: результаты проделанной работы могут использоваться при построении как беспроводной сети, так и интегрированной сети построенной на технологиях Ethernet и Wi-Fi, как в помещениях, так и на открытом пространстве.

Рекомендации: использовать приведенные в работе результаты по объединению локальных сетей Ethernet и Wi-Fi в единую интегрированную сеть доступа и выбору соответствующего оборудования рекомендуется после утверждения требований к параметрам сети и функциональности устройств.

Содержание

Введение

Глава 1. Технология Ethernet

1.1 Спецификации IEEE для локальных сетей

1.2 Локальные сети Ethernet

1.2.1 Адресация в сетях Ethernet

1.2.2 Типы адресации кадров

1.2.3 Метод доступа CSMA/CD

1.2.4 Форматы кадров технологии Ethernet

1.2.4.1 Кадр 802.3/LLC

1.2.4.2 Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

1.2.4.3 Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

1.2.4.4 Кадр Ethernet SNAP

1.3 Спецификации физической среды Ethernet

1.3.1 Домен коллизий

1.3.2 Физическая среда Ethernet

1.3.2.1 10Base-5

1.3.2.2 10Base-2

1.3.2.3 10Base-T

1.3.2.4 FOIRL

1.3.2.5 10Base-FL

1.3.2.6 10Base-FB

1.3.3 Физическая среда Fast Ethernet

1.3.3.1 Работа в полнодуплексном режиме

1.3.3.2 100Base-FX

1.3.3.3 100Base-TX

1.3.3.4 100Base-T4

1.3.4 Физическая среда Gigabit Ethernet

1.3.4.1 1000Base-X

1.3.4.2 1000Base-SX

1.3.4.3 1000Base-LX

1.3.4.4 1000Base-СX

1.3.4.5 1000Base-T

Глава 2. Технология Wi-Fi

2.1 Спецификации IEEE для локальных беспроводных сетей

2.2 Концепции беспроводных физических уровней

2.2.1 Технология расширения спектра

2.2.2 Модуляция сигнала

2.2.3 Локальные беспроводные сети со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)

2.2.4 Локальные беспроводные сети, использующие широкополосную модуляцию DSSS с расширением спектра методом прямой последовательности

2.3 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11b

2.3.1 Подуровень PLCP технологии HR-DSSS стандарта 802.11b

2.3.2 Модуляция ССК на подуровне PMD стандарта 802.11b

2.3.3 Технология двоичного пакетного сверточного кодирования (PBCC)

2.4 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11а

2.4.1 Технология мультиплексирования с разделением по ортогональным частотам (OFDM)

2.5 Локальные беспроводные сети стандарта 802.11 g

2.5.1 Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC

2.6 Метод доступа к физической среде передачи CSMA/CA

Глава 3. Принципы построения интегрированной сети

3.1 Требования, предъявляемые к локальным вычислительным сетям

3.1.1 Производительность

3.1.2 Надежность и безопасность

3.1.3 Расширяемость и масштабируемость

3.1.4 Прозрачность

3.1.5 Поддержка разных видов трафика

3.1.6 Управляемость

3.1.7 Совместимость

3.2 Обзор топологий локальных сетей Ethernet

3.2.1 Физическая и логическая структуризация сети

3.2.2 Стандарты кабелей

3.2.3 Кабели на основе неэкранированной витой пары

3.3 Обзор топологий беспроводных сетей Wi-Fi

3.3.1 Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS)

3.3.2 Базовые зоны обслуживания (BSS)

3.3.3 Расширенные зоны обслуживания (ESS)

3.3.4 Распределенная функция координации (DCF)

3.3.5 Точечная функция координации (PCF)

3.4 Возможность соединения станций

3.4.1 Процесс зондирования

3.4.2 Процесс аутентификации

3.4.3 Процесс привязки

3.5 Радиочастотный тракт

3.5.1 Антенны и их характеристики

3.5.2 Типы антенн

3.5.3 Основные характеристики приемника

3.5.4 Минимальные характеристики радиостанции стандарта 802.11b

3.5.5 Минимальные характеристики радиостанции стандарта 802.11a

3.6 Развертывание локальных беспроводных сетей

3.6.1 Планирование развертывания WLAN

3.6.2 Картирование места развертывания сети

3.6.3 Проблемы, возникающие при картировании места работ

3.7 Беспроводное оборудование, применяемое при построении Wi-Fi сетей

3.7.1 Точки доступа Wi-Fi

3.7.2 Комбинированные устройства

3.7.3 Wi-Fi адаптеры

3.7.4 Нестандартные устройства

3.7.5 Точки доступа-повторители

3.7.6 Универсальные клиенты и мосты рабочих групп

3.7.7 Беспроводные мосты

3.8 Мобильность сети и пользователей

3.8.1 Характеристики роуминга

3.8.2 Механизм роуминга стандарта 802.11

3.8.3 Предварительное обнаружение точки доступа

3.9 Обнаружение точки доступа во время перемещения

3.9.1 Процесс роуминга уровня 2

3.9.2 Роуминг между доменами роуминга

3.9.3 Обнаружение агента

3.9.4 Регистрация MN

3.9.5 Туннелирование

Глава 4. Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

4.1 Беспроводное оборудование, применяемое при построении Wi-Fi сетей

4.2 Характеристики оборудования для построения сети

4.3 Выбор оборудования

4.4 Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

На протяжении многих десятилетий проводные и беспроводные виды связи занимали разные ниши на рынке телекоммуникаций. Проводная связь подразумевала надежность и высокую пропускную способность. Беспроводная связь использовалась для передачи информации там, где трудно или просто невозможно создать проводную кабельную сеть, а также там, где нужна свобода передвижения.

Первые беспроводные компьютерные сети воспринимались лишь как средство, позволяющее сотрудникам передвигаться по офису с ноутбуками, а не быть «привязанными» к рабочим местам. Раньше, при использовании в офисах только настольных компьютеров, считалось, что необходимо прокладывать проводную компьютерную сеть для обеспечения их взаимодействия. Использование беспроводного решения было проблематично в силу высокой стоимости оборудования, а также относительно низкой надежности и пропускной способности. Но со временем на рынке появилось новое поколение оборудования для организации беспроводных локальных сетей. Когда необходимо обеспечить свободу передвижения пользователей, достоинства данного типа оборудования по сравнению с традиционной проводной инфраструктурой очевидны.

Беспроводные технологии превосходят проводные по трем параметрам:

· по срочности;

· удаленности;

· мобильности.

Срочность. Данный фактор особенно важен для стран с бурной экономической деятельностью, но сильно отставших в развитии телефонных и локальных сетей общего пользования. Надежные коммуникации нужны немедленно, а для прокладки кабельной сети необходимы колоссальные инвестиции и длительное время. Безусловно, в будущем оптоволоконный кабель сможет решить проблемы фиксированной связи лучше, чем это могут сейчас радиотехнологии, но это дорогой и длительный процесс. Более того, кабельную разводку требуется довести до каждой квартиры или учреждения. Когда все это будет сделано, фиксированная радиосвязь, возможно, будет вытеснена из больших городов и останется для обслуживания преимущественно абонентов в удаленных местностях. это только один из вариантов развития событий.

Удаленность. Преимущество не столько технологического, сколько экономического характера. Оно оказывается решающим при выборе способа подсоединения к сети удаленных абонентов, когда прокладывать кабель экономически нецелесообразно. Это могут быть абоненты, либо разбросанные по обширной малонаселенной территории, либо сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае невыгодной оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором - магистральных кабелей. Все дело не в уровне экономического развития страны, а в степени заселенности той или иной местности.

Мобильность. Это наиболее очевидное, но не бесспорное для передачи данных отличительное свойство беспроводных технологий. Оно имеет преимущественно технологический, а не экономический характер. Невозможность подсоединения подвижных абонентов является непреодолимым ограничением кабельных сетей, которое распространяется на любой вид коммуникаций - как на обычную телефонную и факсимильную связь, так и на передачу данных. Радиотехнологии позволили решить данную проблему.

На Западе Radio-Ethernet используется преимущественно в корпоративных сетях, охватывающих территорию склада, супермаркета, завода, госпиталя, университетского городка. Если имеются две или несколько разбросанных территорий, то строится общая сеть путем соединения отдельных сегментов через арендованные (у местной телефонной компании) кабельные каналы.

В России (как и в других странах СНГ) сегментация рынка беспроводных сетей несколько иная. Те области деятельности, в которых на Западе наиболее широко применяются беспроводные сети, в России либо еще не применяют их (большие оптовые склады с автоматизированным учетом, супермаркеты), либо испытывают финансовые затруднения (больницы, университеты). Поэтому интерес к таким сетям проявляют самые разные предприятия, в особенности, имеющие несколько отделений, разбросанных по городу.

Рынок беспроводных сетей передачи данных в России, в отличие от западного рынка, формируется в большей мере операторами, чем абонентами: именно операторы закупают оборудование Radio-Ethernet, чтобы с его помощью предоставлять услуги беспроводной связи. Наиболее популярны среди этих услуг - объединение локальных сетей абонента и доступ к всемирной сети Internet. Оборудование Radio-Ethernet прекрасно подходит и для эффективного обеспечения "последней мили" вместо абонентского телефонного кабеля.

В данной дипломной работе рассматривается задача построения интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi.

Основная часть пояснительной записки дипломной работы содержит 4 главы:

1. Глава 1. Технология Ethernet. В данной главе описываются основы самой популярной на сегодняшний день технологии построения локальных проводных сетей Ethernet.

2. Глава 2. Технология Wi-Fi. В этой главе рассказывается о разнообразных стандартах беспроводных сетей IEEE 802.11. Особое внимание уделяется физическому уровню, в котором заключаются основные различия между проводными и беспроводными локальными сетями.

3. Глава 3. Принципы построения интегрированной сети. Указываются требования к разрабатываемой сети и способы сопряжения проводного и беспроводного сегментов. Описывается существующие виды оборудования для беспроводных сетей.

4. Глава 4. Архитектура интегрированной сети доступа на базе технологий Ethernet и Wi-Fi. Проводится анализ представленного на рынке оборудования. Выбираются устройства, отвечающие требованиям, и на их основе строится интегрированная сеть доступа.

Глава 1. Технология Ethernet

1.1 Спецификации IEEE для локальных сетей

В 1980 году в институте IEEE был организован «Комитет 802 по стандартизации локальных сетей», в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.х, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семи уровней модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

· подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC);

· подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

Рисунок 1. Модель ЭМВОС (OSI)

MAC-уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации.

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня. [1]

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарт IEEE 802 содержит несколько разделов:

· в разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям;

· раздел 802.2 определяет подуровень управления логическим каналом LLC;

· Разделы 802.x регламентируют спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC, в частности, рассматриваемые в данной работе:

o стандарт 802.3 - ЛВС на основе технологии Ethernet описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD);

o стандарт 802.11 - Wireless Networks, определяет коллективный доступ с опознаванием несущей и избеганием конфликтов (Carrier sense multiple access with collision avoiding - CSMA/CA).

Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или радиоэфир), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Все методы доступа используют протоколы уровня управления логическим каналом LLC, описанным в стандарте 802.2.

Уровень управления логическим каналом LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

· LLC1 - сервис без установления соединения и без подтверждения;

· LLC2 - сервис с установлением соединения и подтверждением;

· LLC3 - сервис без установления соединения, но с подтверждением.

Этот набор процедур является общим для всех методов доступа к среде, определенных стандартами 802.x.

Сервис без установления соединения и без подтверждения LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. Обычно, этот вид сервиса используется тогда, когда такие функции как восстановление данных после ошибок и упорядочивание данных выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на уровне LLC.

Сервис с установлением соединений и с подтверждением LLC2 дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока этих блоков в рамках установленного соединения.

Сервис без установления соединения, но с подтверждением LLC3 используется в случаях, когда временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение корректности приема переданных данных необходимо.

По своему назначению все кадры уровня LLC подразделяются на три типа:

· Информационные кадры предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна;

· Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков.

· Ненумерованные кадры предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в процедурах с установлением логического соединения - установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат:

Рисунок 2. Формат кадра уровня LLC

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями «Флаг», имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока.

Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней, например IP. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Поле управления (занимает один байт) используется для обозначения типа кадра данных - информационный, управляющий или ненумерованный. Кроме этого, в этом поле указываются порядковые номера отправленных и успешно принятых кадров, если подуровень LLC работает по процедуре LLC2 с установлением соединения.

Адресные поля DSAP и SSAP (адрес точки входа сервиса назначения и адрес точки входа сервиса источника) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какой сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу для последующей обработки. Для идентификации этих протоколов вводятся так называемые адреса точки входа службы SAP - Service Access Point. Значения адресов SAP приписываются протоколам в соответствии со стандартом 802.2.

С помощью управляющих кадров протокол LLC имеет возможность регулировать поток данных, поступающих от узлов сети.

1.2 Локальные сети Ethernet

Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован во второй половине 60-х годов ХХ века в радиосети Гавайского университета, в которой использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha.

На сегодняшний день Ethernet - это самый распространенный стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в несколько десятков миллионов.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации: 10Base-5, 10Base-2,10Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, описание которого просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 - разделом 802.3u. Официально стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия: 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX.

Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа и имеет следующие спецификации: 1000BASE-T и 1000BASE-X.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD. [2]

1.2.1 Адресация в сетях Ethernet

Адреса Ethernet представляют собой 48-разрядные значения, которые однозначно идентифицируют Ethernet-станции локальной сети. Ethernet-адреса отчасти назначаются в рамках глобальной системы идентификации курируемой IEEE, отчасти - производителями оборудования. Организация IEEE назначает каждому поставщику 24-разрядный уникальный организационный идентификатор (OUI). Этот идентификатор включается в Ethernet-адрес в качестве первых 24-х разрядов. Благодаря этому гарантируется уникальность Ethernet-адреса.

Поскольку при такой системе адресации используется физический интерфейс, ее также называют МАС-адресацией. В большинстве случаев МАС-адреса представляются в шестнадцатеричной форме, причем каждый байт отделяется дефисом или двоеточием, либо каждые два байта отделяются точкой:

00-11-95-E4-85-4C, 00:11:95:E4:85:4C, 0011.95E4.854C

Уникальный организационный идентификатор предоставляет в распоряжение производителя 10²⁴, или 16 777 216, возможных адресов.

1.2.2 Типы адресации кадров

Различаются одноадресатные, многоадресатные и широковещательные кадры.

При широковещательной адресации станция направляет кадр всем станциям широковещательного домена. Широковещательный адрес Ethernet содержит особый 48-разрядный адрес приемника, все биты которого имеют значение 1 или FF в шестнадцатеричном виде. Широковещательный адрес имеет вид FF - FF - FF - FF - FF - FF.

Широковещательные кадры принимаются и обрабатываются всеми станциями домена. Каждая станция определяет, содержит ли кадр данные, предназначенные именно для нее или нет. Станция, получающая широковещательные кадры предназначающиеся не ей, использует свой центральный процессор (ЦП) для их обработки, в то время как его должны были бы использовать для своих нужд другие ресурсы станции. Процесс обработки таких кадров может показаться простым делом, однако возникшая широковещательная лавина может вызвать перегрузку в сети и подключенных к ней станций.

Многоадресатные кадры позволяют отправителю направлять их сразу группе получателей, а не одному. Благодаря этому процессу в определенных ситуациях снижается нагрузка на сеть за счет того, что станциям не приходится передавать некоторые кадры несколько раз, чтобы их могли получить все станции, для которых предназначены кадры. На рассылку многоадресатных кадров должна быть проведена своеобразная "подписка". Это означает, что станция-приемник должна изъявить желание получать их. Если станция-приемник не подписалась на прием многоадресатных кадров, предназначенные определенной группе станций, она не принимает эти кадры.

Одноадресатная рассылка представляет собой простейший и прямой способ передачи данных станции-получателю. Передающая станция направляет кадр с адресом назначения, конкретной станции с соответствующим Ethernet-адресом. Только эта приемная станция получает и обрабатывает фрейм и его содержимое. [3]

Ethernet предлагает все три метода адресации, благодаря чему приложения могут использовать наиболее приемлемый для них метод и тем самым снижать нагрузку на сеть.

1.2.3 Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий - carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD.

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя станциями в сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно, с учетом задержки распространения сигнала по физической среде, получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet.

Рисунок 3. Метод доступа к среде CSMA/CD

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 3 первым. Станция 1 обнаружила, что среда свободна, и начала передавать свой кадр. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю ответ. Адрес источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Станция 2 во время передачи кадра первой станцией также пыталась начать передачу своего кадра, однако обнаружила, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, и вынуждена ждать, пока станция 1 не прекратит передачу своего кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать межкадровый интервал (Inter Packet Gap) длительностью 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания межкадрового интервала станции имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

В приведенном примере на рисунке 3 стация 2 дождалась окончания передачи кадра станцией 1, сделала паузу в 9,6 мкс и начала передачу своего кадра.

Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра станцией 1.

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начнут передавать свои кадры. В таком случае происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet, являющаяся следствием распределенного характера сети. Суть состоит в том, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого могут просто не успеть дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. В примере, изображенном на рис. 3, коллизию породила одновременная передача данных станциями 3 и 1.

Для корректной обработки коллизии, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам.

Битовый интервал - bt соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле. Для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс.

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет стерт принимающей станцией.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: Tmin ? PDV, где Tmin - время передачи кадра минимальной длины, PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети.

PDV - время двойного оборота (Path Delay Value), так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети. В одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал.

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Таким образом, в Ethernet 10 Mбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 метров.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet максимальное количество сегментов в сети ограничено пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами.

В действительности в таких многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов, и временной запас существенно уменьшается.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-нибудь сможет получить доступ к среде. При небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным.

Сегодня существуют приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые могут очень сильно загружать сегменты сети Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить объем передаваемого трафика, либо повысить скорость протокола, например, перейти на Fast Ethernet. [1]

1.2.4 Форматы кадров технологии Ethernet

На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). 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. Однако один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому 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.

1.2.4.1 Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2. Формат кадра 802.3/LLC (без поля преамбулы и начального ограничителя кадра) показан на рисунке 4.

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.

Рисунок 4. Формат кадра 802.3/LLC

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.

Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса - централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (а так бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно, с помощью комитета IEEE.

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 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. 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.

1.2.4.2 Кадр Raw 802.3/Novell 802.3

Формат кадра Raw 802.3, называемого также кадром Novell 802.3, представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Формат кадра Raw802.3/Novell 802.3

По сути, 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.

После того как, 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/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

1.2.4.3 Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (см. рисунок 6), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3.

Рисунок 6. Формат кадра Ethernet DIX/Ethernet II

Однако 2-байтовое поле Длина(L) кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, называется Туре (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC, т.е. для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

В то время как коды протоколов в полях SAP имеют длину в один байт, в поле Туре для кода протокола отводятся 2 байта. Поэтому один и тот же протокол в поле SAP и поле Туре будет кодироваться в общем случае разными числовыми значениями.

1.2.4.4 Кадр Ethernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP - Subnetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рисунок 7) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре.

Рисунок 7. Формат кадра Ethernet SNAP

Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Туре кадра Ethernet II, то есть в нем используются те же значения кодов протоколов.

Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре.

С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологий 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код ОхАА, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров. [1]

1.3 Спецификации физической среды Ethernet

1.3.1 Домен коллизий

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий (Collision Domain) - это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Приведенная на рисунке 9 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов и все узлы сети будут оповещены о коллизии.

1.3.2 Физическая среда Ethernet

1.3.2.1 10Base-5

Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмой Xerox и может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» коаксиал).

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов (см. рис. 8). Станция должна, подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attach-nent Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар. Т.о. адаптер обязательно должен иметь разъем AUI.

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

· прием и передача данных с кабеля на кабель;

· определение коллизий на кабеле;

· электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

· защита кабеля от некорректной работы адаптера.



Рисунок 8. Фрагмент сети, построенной по стандарту 10Base-5

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства - повторителя (repeater). Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента, то есть таких сегмента, к которым подключаются конечные узлы. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 метров.

Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят.

К достоинствам стандарта 10Base-5 можно отнести:

· хорошую защищенность кабеля от внешних воздействий;

· сравнительно большое расстояние между узлами;

· возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 являются:

· высокая стоимость кабеля;

· сложность его прокладки из-за большой жесткости;

· потребность в специальном инструменте для заделки кабеля;

· остановка работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении;

· необходимость заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

1.3.2.2 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» коаксиал). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей, число которых также не должно превышать 4 штук. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5x185 = 925 метров.

Трансиверы объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в системный блок компьютера.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же, (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер.

1.3.2.3 10Base-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера).

Многопортовые повторители при использовании технологии 10Base-T обычно называются концентраторами или хабами. Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - логический моноканал (логическая общая шина).

Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3.

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (см. рис. 9).



Рисунок 9. Иерархический способ построения сети Ethernet 10Base-T

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024. Максимальная длина сети в 2500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети - «максимальный диаметр сети». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5x100 = 500 метров.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству (хабу). Логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, но их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями.

1.3.2.4 FOIRL

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы - иначе получится сеть длиной 5000 метров.

1.3.2.5 10Base-FL

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети - 2500 метров.

1.3.2.6 10Base-FB

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 метров.

Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации.

Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются. [2]

1.3.3 Физическая среда Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (см. рис. 10). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Рисунок 10. Стек протоколов Fast Ethernet

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже - меняется как количество проводников, так и методы кодирования.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

· 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Туре1;

· 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

· 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.