Стандарты ieee 802. Поддержка потоковых данных

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 по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи-уровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня:

· логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

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

Уровень MAC 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 более высокий уровень - уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

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

Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 3.1:

Рис. 3.1. Структура стандартов IEEE 802.X

Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).

Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.

Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Стандарты 802.3,802.4,802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился | как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты - стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.

Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие:

· 802.1 - Internetworking - объединение сетей;

· 802.2 - Logical Link Control, LLC - управление логической передачей данных;

· 802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;

· 802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

· 802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

· 802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;

· 802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;

· 802,8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;

· 802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;

· 802.10 - Network Security - сетевая безопасность;

· 802.11 - Wireless Networks - беспроводные сети;

· 802.12 - Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

33Программное обеспечение анализа и оптимизации сети

В последние годы появился новый тип (сетевого) программного обеспечения, призванный обеспечивать эффективную работу сетей ЭВМ.

Дело в том, что современные компьютерные сети тяготеют к глобализации и усложнению топологии, при этом (стихийно) развивающаяся сеть часто становится неэффективной (а иногда и неработоспособной) вследствие неправильного выбора пропускных способностей и распределения потоков в сети; обычно деградация сети внешне (с точки зрения пользователя) проявляется в катастрофической задержке передачи сообщений (вплоть до полной блокировки сети).

Пожалуй, впервые указанные проблемы проявились в 70-х годах в связи с постройкой и эксплуатацией сети принадлежащего Министерству обороны США Управления перспективных исследований (DARPA), принятое название - сеть ARPANET; в настоящее время данная сеть считается прообразом глобальной сети InterNet.

Сеть создавалась на случай ядерной войны и предполагала, что любой компьютер в сети может перестать функционировать в произвольный момент времени, равно как и линии связи между компьютерами. Именно такая постановка задачи привела к рождению сетевой технологии, которая впоследствии фактически стала технологией всемирной сети

ARPANET уже к 1975 году обеспечивала службу передачи сообщений между почти 100 ЭВМ, географически разнесенным по континентальной части США и подключенных спутниковой связью (через Гавайи) к нескольким точкам в Европе, причем соединенные сетью ARPANET вычислительные машины во многих отношениях являлись несовместимыми друг с другом по аппаратному и программному обеспечению. Именно тогда был обеспечен сетевой доступ к мощнейшей для того времени ЭВМ ILLIAC IV и были широко применены (с целью разгрузки вычислительных машин от выполнения задач обработки необходимых для функ1щонирования сети сообщений) вышеупомянутые IMP.

Сеть ARPANET была спроектирована как для быстрой доставки коротких диалоговых сообщений, так и для обеспечения высокой скорости передачи длинных файлов, при этом стратегия выбора маршрута в сети принимается в каждом процессоре IMP на основе получаемой от соседних процессоров IMP информации и местной информации, включающей сведения о состоянии каналов данного IMP-процессора.

Заметим, что сети общего пользования сложной топологии с коммутацией пакетов появились не только в США (сети ARPANET и TELNET), но и в Канаде (DATAPAC), Англии (EPSS), Европе (EIN), Франции (TRANSPAC), Японии, Испании, Швеции и некоторых других странах.

В связи с проектированием и эксплуатацией сети ARPANET формулировались и решались задачи анализа и проектировании сетей нескольких типов. Базовой задачей является анализ задержки - определение средней задержки передачи сообщения по заданному пути в сети (от конкретного источника к конкретному получателю сообщений). Конечным результатом является зависимость задержки от интенсивности требований на обслуживание; обычно график этой зависимости имеет начальный малоизменяемый участок при изменении нагрузки от нуля до некоторой пороговой величины и экспоненциально возрастает при нагрузке выше пороговой (соответствующей нагрузке насыщения сети), нагрузка насыщения сети соответствует блокировке сети по данному маршруту.

На рис.1 приведен типовой график данных расчета времени задержки, ясно видно пороговое значение нагрузки сети.

Рисунок 1 - Зависимость средней времени задержки сообщения (ордината) от нагрузки в сети (абсцисса) по результатам моделирования (слева) и упрощенная пороговая модель (справа).

На основе базовой задачи формулируются (более сложные) задачи расчетов и оптимизации сети:

Задача выбора пропускных способностей (т.н. ВПС-задача) - оптимальный (обычно по критерию стоимости сети) выбор пропускных способностей из конечного набора их возможных значений (при этом топология и потоки в сети считаются заданными).

Задача распределения потоков (т.н. РП-задача) - фактически обратная вышеприведенной ВПС-задаче (заданными считаются пропускные способности, а определяются потоки из условия минимизации средней задержки).

Задача выбора пропускных способностей и распределения потоков - {комбинированная ВПС/РП-задача) - минимизация стоимости сети при заданной топологии и ограничениях на величину максимальной задержки.

При постановке задач используются несколько способов представления сети - географическая и логическая карты сети и структура сети (рис.2).

На левой части рис.3 показана достаточно общая структурная схема сети ЭВМ; при этом прямоугольниками представлены вычислительные средства выполнения задач обработки и хранения, соединенные друг с другом с помощью подсети связи (состоящей из коммутационных ЭВМ и высокоскоростных каналов передачи данных). Правая часть рис.3.5 иллюстрирует последний (перед этапом численного моделирования) этап представления топологии сети.

Рисунок 2 - Географическая (слева) и логическая карта сети ARPANET (состояние на июнь 1975 года).

Вышеуказанные задачи трудоемки в постановке и разрешении, для получения решения необходимо применять компьютерное моделирование. При решении задач используются элементы теории графов и теории массового обслуживания, распределение потока поступления требований (на обслуживание связи) обычно принимается пуассоновским.

Рисунок 3 - Общая структурная схема сети ЭВМ (слева) и используемая при моделировании структурная схема (справа).

Наиболее сложной задачей является задача выбора оптимальных (в соответствие с определенным критерием оптимальности - обычно стоимости) параметров сети (в основном маршрутов передачи сообщений между узлами сети - при заданной топологии) при заданной максимальной средней задержке (ВТПС/РП-задача); часто используют ВМУР {Вогнутый Метод Устранения Ребер) и МЗР (Метод Замены Ребер) - алгоритмы решения задачи.

Обычно предполагается, что "хорошая" процедура выбора маршрута должна:

1. Обеспечивать быструю и надежную доставку сообщений.

2. Адаптироваться к изменениям топологии сети, происходящим в результате повреждений узлов и каналов.

3. Адаптироваться к меняющейся нагрузке между парами "источник-получатель

5. Определять связность сети.

6. Допускать простое и автоматическое снятие и установку процессоров IMP.

Такую задачу можно решить лишь путем применения распределенного алгоритма управления. Это значит, что не существует центра, который принимал бы обязательные для всей сети решения, все узлы выносят местные решения относительно маршрутов динамическим образом. Основанное на подобных предпосылках программное обеспечение было протестировано применительно к сети ARPANET; было показано, что процедура выбора маршрутов является в основном стабильной и приводит к очень хорошим результатам, в разумной степени реагирует на повреждения узлов и каналов сети, автоматически "узнает" о появлении нового узла (как только он присоединяется к сети или возвращается после исправления), эта особенность сети ARPANET является замечательной технической стороной данной сети. Заметим, что в дальнейшем многие из перечисленных разработок были использованы в сети InterNet.

Таким образом, логично предположить, что в состав сетевого ПО (даже для ЭВМ уровня персонального компьютера) все чаще будут включаться решающее вышеприведенные задачи программные компоненты. Например, для обслуживания баз данных фирмой Inprise Corp. в настоящее врет разрабатывается эффективная технология выбора сервера с учетом загрузки процессоров и сетевого трафика функционирующих в сети серверов, что позволит более равномерно распределять нагрузку между серверам!); в будущем они станут обязательными для системы распределенных вычислений (распределенной ОС). Представляет интерес также разработанная для сети InterNet технология (и соответствующий протокол) MPLS (Multiprotocol Label Switching - многопроцессорная коммутация с заменой меток), реализующая концепции известной ATM-технологии в обобщенном виде (Asynchronous Transfer Mode - поддерживаемая консорциумом известных компаний технология, основанная на использовании упаковки разнородных типов данных в ячейки - "cells" и создании функционирующих определенное время виртуальных соединений в физическом канале связи с целью обеспечения гарантированной по времени доставки сообщений; в настоящее время ATN-технология считается перспективной для транспортировки чувствительных к временной задержке сообщений - например, цифровой телефонии, телевидения).

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. 802.11 - первый промышленный стандарт для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks), или WLAN. Стандарт был разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 802.11 может быть сравнен со стандартом 802.3 для обычных проводных Ethernet сетей.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на сообщение посылкой clear to send (чисто к отправке). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение факта безошибочного приема. Если подтверждение не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.

На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также одно сотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.

В настоящее время широко используется преимущественно четыре стандарта группы IEEE 802.11 (представлены в таблице 1).

Таблица 1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

· Cтандарт 802.11b. Стандарт 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на свободный от лицензирования диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования. Пропускная способность (теоретическая 11 Мбит/с, реальная -- от 1 до 6 Мбит/с) отвечает требованиям большинства приложений. Поскольку оборудование 802.11b, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. К началу 2004 года в эксплуатации находилось около 15 млн. радиоустройств 802.11b.

· Стандарт IEEE 802.11а появившийся в конце 2001 года, предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц.

К главным недостаткам 802.11а относятся большая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц -- около 100 м). Кроме того, устройства для 802.11а дороже.

· Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с. При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK.

· Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009. 802.11n по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз превышает производительность классического Wi-Fi.

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

Большая скорость передачи данных (около 300 Мбит/с);

Равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;

Совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

Большая мощность потребления;

Два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

Усложненная и более габаритная аппаратура.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Делая вывод о стандартах IEEE 802.11 можно подчеркнуть, что использовать оборудование поддерживающее технологию Wi-Fi так же просто, как и Ethernet: протокол TCP/IP накладывается поверх протокола, описывающего передачу информации по каналу связи.

Был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet , ARCnet и Token Ring .

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI , обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.

логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC 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 более высокий уровень - уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , Token Ring , FDDI , l00VG-AnyLAN .

Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 1.:

Рис. 1. Структура стандартов IEEE 802.X

Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI , Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Стандарты 802.3,802.4,802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet , разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился | как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты - стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet ]. Последний фирменный стандартEthernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet . Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet , l00VG-AnyLAN , Gigabit Ethernet . Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.

802.1 - Internetworking - объединение сетей;

802.2 - Logical Link Control, LLC - управление логической передачей данных;

802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;

802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring ;

802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;

802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;

802,8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;

802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;

802.10 - Network Security - сетевая безопасность;

802.11 - Wireless Networks - беспроводные сети;

802.12 - Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

Выводы

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится классическим технологиям

логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC 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 более высокий уровень - уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 62. Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).

Рис. 62. Структура стандартов IEEE 802.X

802.1 - Internetworking - объединение сетей;

802.2 - Logical Link Control, LLC - управление логической передачей данных;

802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;

802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;

802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;

802,8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;

802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;

802.10 - Network Security - сетевая безопасность;

802.11 - Wireless Networks - беспроводные сети;

802.12 - Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.

Технология Ethernet

Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet. Число сетей, построенных на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, - в 50 миллионов.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была именно радиосеть).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой "общая шина". С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера (устройства) могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет модификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, l0Base-FB. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet основаны на одинаковом методе разделения среды передачи данных - метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) и обеспечивают скорость передачи по шине 10 Мбит/с. По-русски этот метод доступа называется МДКН/ОС (множественный доступ с контролем носителя и обнаружением столкновений).

Физические спецификации технологии Ethernet по стандарту IEE 802.3 на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 -коаксиальный кабель диаметром 0,5 " («толстый» коаксиал). С волновым сопротивлением 50 Ом и максимальной длинной сегмента 500 м (без повторителей);

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 " («тонкий» коаксиал). С волновым сопротивлением 50 Ом и максимальной длинной сегмента 185м (без повторителей);

10Base-T - кабель с неэкранированной витой парой (UTP – Unshielded Twisted Pair), образующий звездообразную топологию на основе концентратора, расстояние между концентратором и конечным узлом не более 100 м.

10Base-F - волоконно-оптический кабель с топологией аналогичной топологии стандарта 10Base-T.

Параметры спецификаций физического уровня стандарта Ethernet приведены в таблице **.

Таблица **

Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

Среда передачи данных		Максимальная длина сегмента, м	Максимальное расстояние между узлами сети (при использовании повторителей), м	Максимальное число станций в сегменте	Максимальное число повторителей между любыми станциями сети
	Толстый коаксиальный кабель RG-8 илиRG-11;AUI-кабель
	Тонкий коаксиальный кабель RG-58A/UилиRG-58C/U
	Неэкранированная витая пара категорий 3, 4, 5
	Многомодовый волоконно-оптический кабель

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband- широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Протокол CSMA/CD, используемый в сетях Ethernet для разрешения конфликтов при получении доступа к среде передачи, налагает ряд ограничений на устройства и кабельную систему сетей.

В сегменте (домен коллизий) не может находиться более 1024 устройств (DTE).

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.

В сетях на основе коаксиальных кабелей вводятся дополнительные ограничения на число станций и протяженность кабелей.

Суть метода множественного случайного доступа, реализованного в Ethernet состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно две или более станции решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

В соответствии со спецификациями Ethernet станция должна узнавать о возникновении конфликта до завершения передачи пакета. Поскольку длина минимального пакета с преамбулой составляет 576 бит, на обнаружение конфликта в любом случае должно затрачиваться меньшее время.

Промежуток времени между окончанием одного пакета и началом следующего, равный 9,6 мкс (IPG - inter packet gap), позволяет ясно различать отдельные пакеты. При передаче пакетов через повторители этот промежуток может уменьшаться. Повторитель восстанавливает синхронизацию сигналов (retiming) для устранения искажений при передаче через сетевую среду. В общем случае при восстановлении длина пакетов увеличивается за счет включения в него дополнительных битов синхронизации. Увеличение длины пакета происходит за счет сокращения IPG.

При прохождении пакета через несколько повторителей IPG может сильно уменьшиться. При слишком малом зазоре между пакетами принявшее эти пакеты устройство DTE может не успеть обработать полученный пакет к моменту прихода следующего. Исходя из этого, ограничивается протяженность самого плохого пути в сегменте так, чтобы изменение длины пакета на этом пути не превышало 49 бит. Для преодоления перечисленных ограничений используется сегментация - деление сети на меньшие фрагменты, связанные с помощью мостов, маршрутизаторов или коммутаторов.

Общие ограничения для всех стандартов простого Ethernet следущие:

Номинальная пропускная способность, Мбит/с.........................................10

Максимальное число станций в сети........................................................1024

Максимальное расстояние между узлами в сети, м..............................2500 (в 10Base-FB 2750)

Максимальное число коаксиальных сегментов в сети...............................5

Для проверки соответствия сети требованиям стандарта ШЕЕ 802.3 необходимо начертить схему локальной сети, включив в нее все устройства с указанием длины и типа кабеля для каждого соединения, и убедиться в выполнении всех перечисленных ниже требований:

В сети нет пути между двумя устройствами, содержащего более 5 повторителей;

В сети не более 1024 станций (повторители не считаются);

Сеть содержит только компоненты, соответствующие стандарту IEEE 802.3, а хост-модули, концентраторы и трансиверы используют только кабели AUI, 10Base-T, FOIRL, 10Base-F, 10Base-5 или 10Base-2;

Оптические соединения имеют достаточно малое затухание, а число разъемов соответствует требованиям ШЕЕ 802.3j;

В сети отсутствуют соединения, превышающие предельно допустимую длину;

Ограничения для путей с 3 повторителями. Если самый длинный путь содержит 3 повторителя, должны выполняться следующие требования:

Между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 1000м;

Между повторителями и DTE не должно быть оптических соединений длиннее 400 м;

Не должно быть соединений 10Base-T длиной свыше 100 м.

Ограничения для путей с 4 повторителями. При четырех повторителях в самом длинном пути должны выполняться следующие требования:

Между повторителями не должно быть оптических соединений длиной более 500м;

Не должно быть соединении стандарта 10Base-T длиной свыше 100 м;

В сети не должно быть более 3 коаксиальных сегментов с максимальной длиной кабеля.

Ограничения для путей с 5 повторителями. Если в самом длинном пути находится 5 повторителей, вводятся следующие ограничения:

Должны использоваться только оптические (FOIRL, 10Base-F) соединения или 10Base-T;

Не должно быть медных или оптических соединений с конечными станциями длиной более 100 м;

Общая длина оптических соединений между повторителями не должна превышать 2500 м (2740 м для 10Base-FB);

Приведенные способы оценки просты, но недостаточно точны. Некоторые конфигурации, не соответствующие перечисленным требованиям, оказываются совместимыми с требованиями IEEE 802.3.

Для обеспечения соответствия требованиям ШЕЕ 802.3 в сети должны одновременно выполняться два условия:

Задержка детектирования коллизий: продолжительность пути между любыми двумя точками не должна превышать 575 бит;

Межпакетный интервал: изменение длины пакета не должно превышать 49 бит.

Создание сетей с большим числом станций возможно путем иерархического соединения концентраторов, образующего древовидную структуру. На рисунке 63 представлена такая структура, образующая общую область столкновений – один домен коллизий.

Рис. 63. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

В технологии Ethernet используются различные типы кадров. В таблице *** представлены четыре основных типа кадров Ethernet.

Таблица *** Форматы кадров простого Ethernet

Рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.

Ethernet II, разработанный первым для сетей Ethernet. Тип кадра Ethernet 802.3 создан фирмой Novell и является базовым для сетей с ОС NetWare. Ethernet 802.2, разработанный подкомитетом IEEE 802.3 в результате стандартизации сетей Ethernet, кадр содержит дополнительные поля.

Ethernet SNAP, является модернизацией кадра Ethernet 802.2.

Цифры в круглых скобках обозначают длины полей кадров в байтах

Р - преамбула - представляет собой семибайтовую последовательность единиц и нулей (101010....). Это поле предназначено для синхронизации приемной и передающей станций;

SFD (Start Frame Delimiter) - признак начала кадра (10101011);

DA (Destination Address), SA (Source Address) – адреса получателя и отправителя. Они представляют собой физические адреса сетевых адаптеров Ethernet и являются уникальными. Первые три байта адреса назначаются каждому производителю Ethenet- адаптеров (для адаптеров фирмы Intel это будет значение 00AA00h, а для адаптеров 3Com - 0020AFh), последние 3 байт определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh ;

Length ~ длина передаваемого пакета;

Туре - поле определяет тип протокола сетевого уровня, пакет которого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для протокола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.).

FCS (Frame Check Sequence) – контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байт. Этот процесс называется выравниванием (padding). Жесткие ограничения на минимальную длину пакета введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения столкновений.

DSAP (Destination Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-получателя (Е0h - для IPX), SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-отправителя,

Control - номер сегмента; используется при разбиении длинных IP-пакетов на более мелкие сегменты; для пакетов IPX это поле всегда содержит значение 03h (обмен ненумерованными дейтаграммами).

Поля OUI (Organizational Unit Identifier) и ID определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.

Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнивает значение адреса DA со своим адресом. Если адреса одинаковы или пришел широковещательный кадр, или задана специальная программа обработки, то кадр копируется в буфер станции. Если нет, то кадр игнорируется.

Идентификация типа кадра сетевым адаптером осуществляется по следующему алгоритму:

Если за полем SA следует значение старше 05DCh, то это кадр EthernetII,

Если за полем Length записан идентификатор FFFFh, то это кадр Ethernet 802.3,

Если за полем Length стоит идентификатор AAh, то это кадр Ethernet SNAP, иначе - это кадр Ethernet 802.2.