Сетевые протоколы и методы коммутации

Сетевые протоколы делятся на две категории по типу установления соединения:

● Протоколы с установлением соединения (Connection-Oriented Protocol): эти протоколы требуют установления логического соединения между двумя устройствами до начала передачи данных. Это обычно делается путем выполнения набора правил, которые определяют, как соединение должно инициироваться, управляться и завершаться. Обычно одно из устройств отправляет другому запрос на установление соединения. После получения ответа на запрос устройства начинают обмениваться управляющей информацией и определять параметры соединения. В случае успешного завершения этой фазы, между устройствами начинается передача данных. Когда данные будут переданы, устройства должны завершить соединение.

● Протоколы без установления соединения (Connectionless Protocol): эти протоколы не устанавливают соединение между устройствами. Как только у устройства появляются данные для передачи, оно сразу начинает их передавать.

Исходя из этой классификации, можно сделать вывод, что протоколы с установлением соединения используются только в сетях с коммутацией каналов, а протоколы без установления соединения - в сетях с коммутацией пакетов. Этот вывод ошибочен. Несмотря на то, что сети с коммутацией каналов основываются на установлении соединения между взаимодействующими устройствами, в них используются не только протоколы с установлением соединения. Протоколы с установлением соединения обычно используются на верхних уровнях модели OSI в сетях с коммутацией пакетов и позволяют выполнять приложения, которые требуют установления логического соединения. В стеке протоколов TCP/IP на транспортном уровне реализованы два важных протокола: TCP и UDP. Протокол TCP (Transmission Control Protocol) обеспечивает надежную доставку сегментов по сети за счет установления логического соединения между отправителем и получателем данных. Протокол UDP (User Datagram Protocol) не устанавливает соединение между отправителем и получателем сообщения и не гарантирует надежную доставку данных. Протокол TCP используется для приложений, которым требуется установка логического соединения, например, FTP (File Transfer Protocol) или Telnet. Протокол UDP используется приложениями, которым не требуется установка соединения, например, DNS (Domain Name System), IPTV, различные сетевые игры.

Однако, исходя из уровневой модели, не стоит думать, что протоколы с установлением соединения могут быть реализованы только поверх протоколов с установлением соединения и наоборот, протоколы без установления соединения могут быть реализованы только поверх протоколов без установления соединения.

На каждом уровне модели OSI могут быть реализованы как протоколы с установлением соединения, так и без установления соединения, поэтому возможны комбинации протоколов. Протокол с установлением соединения может быть реализован на основе протокола без установления соединения. Например, протокол TCP на сетевом уровне использует сервисы протокола IP, который является протоколом без установления соединения. Или протокол без установления соединения может быть реализован поверх протокола с установлением соединения на канальном уровне. Например, протокол IP поверх протокола ATM (Asynchronous Transfer Mode), который создает виртуальные каналы между отправителем и получателем перед передачей данных.

Протоколы канального уровня

Протоколы канального уровня определяют набор правил, позволяющих упорядочивать взаимодействие узлов, подключенных к одному сегменту сети.

Данные на канальном уровне рассматриваются как последовательный поток битов, и перед передачей по физическим каналам этот поток, в соответствии с принципом коммутации пакетов, разделяется на небольшие части, каждая из которых снабжается заголовком, содержащим некоторую служебную информацию, т.е. формируется кадр (frame). Структура заголовка кадра зависит от набора задач, которые решает данный конкретный протокол.

Протоколы канального уровня можно разделить на две группы:

● протоколы для соединений типа «точка-точка»;

● протоколы для сетей сложных топологий, к которым относятся локальные сети.

Структура кадра данных

Состав заголовка кадра зависит от многих факторов, определяемых набором функций, которые выполняет протокол. Можно выделить ряд информационных полей, которые обычно присутствуют в заголовке кадра.

Рис. 5.3 Структура кадра данных

 

1. Специальные поля, предназначенные для определения границ кадров. Поскольку в физической среде могут постоянно проходить какие-либо сигналы, то приемник должен уметь разбираться в том, когда начинается передача кадра и когда она заканчивается.

2. Поле, предназначенное для определения протокола сетевого уровня, которому необходимо передать данные. Так как на одном компьютере могут функционировать программные модули различных протоколов сетевого уровня, то протоколы канального уровня должны уметь распределять данные по этим протоколам.

3. Контрольная сумма (или специальный код) содержимого кадра, которая позволяет принимающей стороне определить наличие ошибок в принятых данных.

Для большинства протоколов канального уровня существует ограничение на максимально допустимый объем данных, передаваемых в одном кадре. Это ограничение вызвано различными техническими условиями. Характеристика, используемая для определения максимального размера блока данных (в байтах), который может быть передан на канальном уровне, называется MTU (Maximum Transfer Unit, максимальная единица передачи данных).

Значение MTU может быть определено стандартом (например, для Ethernet), либо выбираться в момент установки соединения (обычно в случае подключений «точка-точка»).

Стандарты IEEE 802

Напомним, что локальная сеть (Local Area Network, LAN) – группа узлов, связанных друг с другом и расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Локальные сети были изобретены в 70-х годах 20 века. Первоначально среда передачи локальных сетей была общей (shared media). Все рабочие станции использовали для передачи одну и туже среду и имели равные права доступа к ней. Когда одна из станций отправляла данные, их получали все рабочие станции, подключенные к этой сети. Широковещательный характер передачи данных в локальной сети требовал управления доступом и адресации рабочих станций. В результате чего появились такие термины как «Media Access Conrol» (MAC, управление доступом к среде) и «МАС-адрес» (уникальный, но не структурированный адрес). Изначально не было необходимости в маршрутизации, поэтому для передачи данных в локальной сети было достаточно функционала 1 и 2 уровней модели OSI.

В 1980 г. в IEEE был организован комитет по стандартизации протоколов локальных сетей (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee, LMSC), в результате работы которого было принято семейство стандартов 802.х, которые содержат рекомендации по проектированию канального и физического уровней локальных сетей (LAN) и сетей мегаполисов (MAN).

За разработку каждого стандарта отвечает отдельная рабочая группа комитета. В настоящее время в комитете IEEE 802 активными являются следующие группы:

● 802.1 Higher Layer LAN Protocol;

● 802.3 Ethernet;

● 802.11 Wireless LAN;

● 802.15 Wireless Personal Area Network (WPAN);

● 802.16 Broadband Wireless Access;

● 802.18 Radio Regulatory TAG;

● 802.19 Wireless Coexistence;

● 802.21 Media Independent Handover Services;

● 802.22 Wireless Regional Area Networks;

● SG ECSG Smart Grid Executive Committee Study Group.

Распущены группы:

● 802.2 Logical Link Control;

● 802.4 Token Bus;

● 802.5 Token Ring.

Семейство стандартов IEEE 802 включает стандарты для сетей Ethernet, Token Ring, беспроводных сетей Wi-Fi, управления, безопасности, создания мостовых соединений.

Рис. 5.4 Уровневая модель IEEE 802

 

В спецификации IEEE 802 канальный уровень модели OSI был разбит на два подуровня:

● управление логическим каналом (Logical LinkControl, LLC);

● управление доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC).

Подуровень LLC обеспечивает взаимодействие с сетевым уровнем и предоставляет сервисы с установлением и без установления соединения. Этот подуровень не зависит от метода доступа к среде передачи.

Подуровень МАС описывает протоколы, реализующие различные методы доступа к среде передачи, отвечает за физическую адресацию, формирование кадров и обнаружение ошибок.

Физический уровень определяет электрические/оптические спецификации, механические интерфейсы, кодирование и синхронизацию битов и зависит от протокола подуровня МАС.

Рабочая группа IEEE 802.1 определяет стандарты, относящиеся к архитектуре сетей LAN/MAN, их взаимодействию, сетевому управлению и протоколам, расположенным выше подуровней MAC и LLC. Например, для сетей Ethernet, IEEE 802.1 определяет дополнительные функции, такие как мостовые соединения и Spanning Tree Protocol, включенные в стандарт IEEE 802.1D, виртуальные локальные сети (VLAN), описанные в стандарте IEEE 802.1Q, аутентификацию, определяемую стандартом IEEE 802.1X и другие.

Протокол LLC

Протокол LLC определен стандартом IEEE 802.2 и занимает промежуточное положение между протоколами сетевого уровня и протоколами подуровня МАС. LLC предоставляет сервисы протоколам сетевого уровня и взаимодействует с множеством протоколов МАС-подуровня (семейством протоколов Ethernet, Wi - Fi и др.). Он обеспечивает нужное качество транспортной службы для технологий локальных сетей, передавая кадры либо без установления соединения и подтверждения между узлами сети, либо с установлением соединения и подтверждением приема кадров.

Протокол LLC участвует в процессе инкапсуляции. Он помещает пакет сетевого уровня в свой кадр и добавляет адресную информацию спецификации IEEE 802.2:

● адрес точки входа сервиса назначения (Destination Service Access Point, DSAP) – указывает протокол верхнего уровня, которому надо передать данные для обработки;

● адрес точки входа сервиса источника (Source Service Access Point, SSAP) – указывает протокол верхнего уровня, данные которого пересылаются в кадре.

В качестве примера можно привести следующие значения SAP:

● 0x42 – Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D);

● 0xAA – SNAP;

● 0xE0 – Novell;

● 0x06 – IP.

Поле управления служит для определения типа сервиса, используемого протоколами сетевого уровня: с установлением соединения и подтверждением приема; с установлением соединения и без подтверждения приема; без установления соединения и подтверждения приема; без установления соединения и с подтверждением приема.

Кадр LLC помещается в кадр МАС-подуровня, при этом флаги удаляются.

 

Рис. 5.5 Формат кадра LLC

 

Следует отметить, что реализация протокола LLC зависит от конкретного стека протоколов. В современных сетях функции протокола LLC обычно выполняются протоколами транспортного уровня, такими как TCP и UDP.

В настоящее время протокол LLC служит для идентификации протоколов верхнего уровня, пакеты которых пересылаются с помощью кадров протоколов МАС-подуровня семейства IEEE 802.

Подуровень МАС

Как было сказано ранее, подуровень МАС описывает протоколы, реализующие различные методы доступа к разделяемой среде, отвечает за физическую адресацию, формирование кадров и обнаружение ошибок.

На МАС-подуровне реализованы следующие протоколы локальных и городских сетей, которые получили широкое распространение:

● 802.3 – семейство протоколов Ethernet;

● 802.11 – семейство протоколов беспроводных локальных сетей;

● 802.15 – беспроводные персональные сети (WPAN), Bluetooth;

● 802.16 – беспроводная городская сеть, WiMAX.

Каждый протокол LAN/MAN семейства IEEE 802 содержит в кадре заголовок подуровня LLC.

Понятие МАС-адреса

Для обеспечения адресации узлов в локальной сети в заголовке кадров должны присутствовать адрес отправителя и адрес получателя. Большинство протоколов канального уровня семейства IEEE 802 для идентификации устройств используют физический адрес или MAC-адрес (MAC address).

MAC-адрес (Media Access Control) — это уникальный идентификатор, который присваивается каждому сетевому устройству во время изготовления. Он позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу.

Стандарты IEEE определяют MAC-адрес, длиной 48 бит (6 октетов).

 

Рис. 5.6 Формат МАС-адреса

 

МАС-адрес можно разделить на две части. В первой части указывается уникальный идентификатор производителя оборудования (Organizationally Unique Identifier, OUI). Этот уникальный идентификатор присваивается производителю институтом IEEE. Старшие 24 бита МАС-адреса назначаются непосредственно производителем оборудования. Первый бит МАС-адреса (I/G) указывает, является ли адрес индивидуальным или групповым:

● 0 (индивидуальный) – адрес, ассоциированный с определенным сетевым устройством;

● 1 (групповой) – адрес, ассоциированный с несколькими или всеми узлами данной сети.

Существует два вида групповых адресов:

● многоадресный или групповой (multicast) – адрес, ассоциированный с группой узлов сети;

● широковещательный (broadcast) – адрес, ассоциированный со всеми узлами сети. Его значение – 0xFF-FF-FF-FF-FF-FF.

Второй бит МАС-адреса (U/L) указывает, является ли MAC-адрес глобально или локально администрируемым:

● 0 (глобально администрируемый MAC-адрес устройства) – он глобально уникален (администрируется IEEE) и обычно «зашит» в аппаратуру;

● 1 (локально администрируемый MAC-адрес) – он выбирается произвольно и может не содержать информации о производителе данного оборудования (OUI). Некоторые производители сетевых адаптеров поддерживают возможность изменять МАС-адрес устройства.

Рис. 5.7 Передача с использованием индивидуального МАС-адреса

 

 

Рис. 5.8 Передача с использованием широковещательного МАС-адреса

 

Рис. 5.9 Передача с использованием группового МАС-адреса

 

Сетевые адаптеры

Для подключения компьютера к сети и взаимодействия с другими сетевыми устройствами используется сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC). Сетевой адаптер, также известный как сетевая интерфейсная карта, сетевая карта, адаптер Ethernet, представляет собой периферийное устройство компьютера. В большинство современных компьютеров сетевые адаптеры интегрированы в материнскую плату.

По конструкторской реализации сетевые адаптеры делятся на:

● интегрированные в материнскую плату компьютера или ноутбука;

● внутренние, представляющие собой отдельную печатную плату, устанавливаемую в слот PCI, PCI Express, PCIe компьютера;

● внешние, подключающиеся к компьютеру или ноутбуку через интерфейс USB или CardBus (PCMCIA).

Для корректной работы сетевого адаптера на компьютере требуется установить его драйвер.

Драйвер – специальное программное обеспечение, позволяющее операционной системе работать с устройством.

Обычно драйвер входит в комплект поставки адаптера. Для устройств компании D-Link драйверы также можно бесплатно загрузить с FTP-сервера ftp.dlink.ru.

 

Сетевой адаптер и его драйвер реализуют на компьютере функции физического и канального уровней модели OSI (точнее подуровня МАС в соответствии со спецификацией IEEE 802) и выполняют две основные функции: прием и передачу кадров. Адаптер хранит уникальный 48-битный физический адрес (МАС-адрес), который позволяет однозначно идентифицировать компьютер в данном сегменте сети.

Для того чтобы узнать MAC-адрес сетевого адаптера компьютера в ОС Windows используется следующая команда: ipconfig /all

Рис. 5.10 Результат выполнения команды ipconfig

 

Остальные уровни модели OSI (от прикладного до сетевого) реализуются операционной системой, поэтому компьютер работает на всех семи уровнях модели OSI.

В зависимости от того, какой протокол на канальном уровне реализует адаптер, они делятся на Ethernet-адаперы, Wi-Fi-адаптеры, Bluetooth-адаптеры и т.д.

В сетевых адаптерах, предназначенных для подключения компьютеров к проводным сетям используются следующие, наиболее распространенные в настоящее время типы разъемов:

● медный 8P8C (ошибочное, но общепринятое название RJ-45) для подключения кабеля на основе витой пары;

● оптический разъем (LC, SC, ST, FC, MT-RJ) для подключения оптического кабеля.

Рис. 5.11 Сетевые адаптеры:

а)Сетевой адаптер Gigabit Ethernet для шины PCI DGE-528T;

б) Беспроводной адаптер для шины CardBus DWA-645;

в) Беспроводной адаптер для шины PCIe DWA-566;

г) Беспроводной адаптер для шины USB DWA-160.

 

В зависимости от сложности сетевого адаптера он может поддерживать различные функции, доступные для конфигурирования. Например, сетевой адаптер DGE-528T поддерживает такие функции как: Wake-On-LAN (WOL), позволяющую удаленно включать питание выключенного компьютера; технологию VLAN (Virtual LAN), позволяющую сделать компьютер частью виртуальной локальной сети, для повышения его безопасности; функцию управления потоком IEEE 802.3x, позволяющую предотвратить потерю данных в случае переполнения буфера принимающего устройства.

Характеристики и функции, поддерживаемые сетевым адаптером, обычно указываются в спецификации или руководстве пользователя на устройство.

Чтобы создать простейшую домашнюю сеть, т.е. объединить между собой два компьютера достаточно наличия в них совместимых сетевых адаптеров. В случае использования технологии Ethernet, сетевые адаптеры компьютеров соединяются между собой кабелем соответствующего типа (чаще всего на основе витой пары). При использовании беспроводного соединения в сеть можно объединить более двух компьютеров, для этого их адаптеры надо переключить в режим Ad-Hoc. Правда, чем больше компьютеров будет объединено в такую беспроводную сеть, тем меньше будет скорость передачи данных.

Технологии локальных сетей

За годы развития сетевых технологий было разработано много сетевых архитектур. Многие из них уже вышли из употребления, а другие, такие как Ethernet, широко используются и постоянно развиваются. Для начала кратко рассмотрим технологии канального уровня Token Ring и FDDI, которые в настоящее время применяются довольно редко.

Технология Token Ring

Эта технология канального уровня была разработана компанией IBM в начале1980 гг., а затем стандартизирована IEEE в проекте 802, как спецификация IEEE 802.5. Сети Token Ring относятся к сетям с маркерным методом управления доступом, в которых отсутствует конкуренция за доступ к среде передачи. Логически сеть Token Ring представляет собой кольцо, а физически - звезду. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Для объединения компьютеров в сетях Token Ring используются концентраторы - т.н. устройства многостанционного доступа (MSAU, MultiStation Access Unit). Рабочие станции отдельными кабелями подключаются к MSAU по топологии «звезда». Технология Token Ring позволяет использовать для соединения экранированную или неэкранированную витую пару.

Максимальная длина сегмента при использовании неэкранированной витой пары (UTP) – 150 м (при работе на скорости 4 Мбит/с) или 60 м (при работе на скорости 16 Мбит/с), при использовании экранированной витой пары (STP) – расстояние передачи увеличивается до 300 м (для 4 Мбит/с) или 100 м (для 16 Мбит/с).

В кольце на основе неэкранированных кабелей может работать не более 72 станций, в кольце на основе экранированных кабелей – максимум 260 станций.

Рис. 5.12 Сеть Token Ring

В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими все рабочие станции, и рассматривается как разделяемая среда передачи. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер или токен (token).

Маркер представляет собой определенную последовательность битов и одновременно может быть использован только одной рабочей станцией или узлом. Получив маркер, рабочая станция анализирует его, при необходимости модифицирует, а при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера, извлекает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция преобразует маркер в кадр установленного формата и начинает передавать его по кольцу. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника (каждая рабочая станция имеет уникальный 48-битный МАС-адрес).

Передаваемые данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой, поэтому их получают все рабочие станции сети. Каждая станция проверяет, не ей ли предназначен кадр. Если нет, то станция выступает в роли ретранслятора и передает полученный кадр следующей станции сети. Когда станция-адресат распознает кадр, она копирует его в свою память, затем модифицирует некоторые биты в формате кадра (признак подтверждения приема) и возвращает его по кольцу обратно станции-отправителю. Последняя изымает этот кадр из кольца и проверяет, нормально ли принято сообщение. После этого она выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time), после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера.

Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют отличный от сетей со скоростью 4 Мбит/с алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее, свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - та, которая в данный момент владеет маркером. Остальные станции в это время только ретранслируют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Технология Token Ring обладает свойствами отказоустойчивости. Для контроля работы сети и обработки ошибок в сетях Token Ring одна из станций выполняет роль активного монитора, который изучает кадры, циркулирующие по сети, удаляет все дефектные кадры, выдает новый маркер и обеспечивает правильную работу сети.

К достоинствам технологии Token Ring можно отнести:

● простоту расчета задержки передачи между любыми двумя устройствами, что особенно важно в автоматизированных системах управления, требующих обработки процессов в реальном режиме времени;

● отсутствие коллизий.

Недостатки:

● высокая стоимость, низкая совместимость оборудования;

● невысокая скорость передачи.

Технология FDDI

Стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface - волоконно-оптический интерфейс передачи данных), разработанный в середине 80-х годов комитетом X3T9.5 ANSI, определяет кольцевую сеть с маркерным доступом и скоростью передачи до 100 Mбит/с на основе волоконно-оптического кабеля, способную охватить очень большую площадь (до 100 км).

Стандарт FDDI во многом основывается на технологии Token Ring (стандарт IEEE 802.5) и обеспечивает совместимость с ней, т.к. у обеих технологий одинаковые форматы кадров. Однако у этих технологий имеются существенные различия.

Стек FDDI определяет физический уровень и подуровень доступа к среде передачи (МАС). Физический уровень разбит на протокол физического уровня (Physical Layer Protocol, PHY), который отвечает за работу схем кодирования данных, и на подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи (Physical Medium Dependent, PMD), на котором реализованы спецификации передачи. Особенностью стека FDDI является наличие уровня управления станциями (Station Management, SMT). Он отвечает за удаление и подключение рабочих станций, обнаружение и устранение неисправностей, сбор статистической информации о работе сети.

Рис. 5.13 Стек FDDI

 

Сети FDDI характеризуются встроенной избыточностью, что обеспечивает их высокую отказоустойчивость. Сеть FDDI строится на основе двух колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным (первичным). По нему данные передаются при нормальной работе. Второе кольцо (вторичное) - вспомогательное, по нему данные передаются в случае обрыва в первом кольце. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первого кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), сеть выполняет «свертывание» колец - объединяет первое кольцо со вторым, образуя единое кольцо.

Основными компонентами сети FDDI являются станции и концентраторы. Для подключения станций и концентраторов к сети может быть использован один из двух способов:

● одиночное подключение (Single Attachment, SA) - подключение только к первичному кольцу. Станция и концентратор, подключенные данным способом, называются соответственно станцией одиночного подключения (Single Attachment Station, SAS) и концентратором одиночного подключения (Single Attachment Concentrator, SAC);

● двойное подключение (Dual Attachment, DA) - одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам. Станция и концентратор, подключенные таким способом, называются соответственно станцией двойного подключения (Dual Attachment Station, DAS) и концентратором двойного подключения (Dual Attachment Concentrator, DAC).

В качестве среды передачи в сетях FDDI используется одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель. Максимальное количество станций в кольце – 500. Максимальное расстояние между узлами может составлять 2 км при использовании многомодового кабеля и 20 км – при использовании одномодового. Максимальная протяженность сети – 100 км.

К преимуществам технологии FDDI можно отнести высокую отказоустойчивость. К недостаткам – двойной расход кабеля.

В настоящее время эта технология считается устаревшей.

Рис. 5.14 Сеть FDDI

Технология Ethernet

Технология Ethernet является самой распространенной на сегодняшний день технологией локальных сетей благодаря своей простоте и универсальности. Ее теоретические основы были сформулированы в 1973 году в кандидатской диссертации аспиранта Гарвардского университета Роберта Меткалфа (Robert Melancton Metcalfe), озаглавленной «Пакетные сети».

Главные события в истории Ethernet развернулись в Пало-Альто, в исследовательском центре компании Xerox (PARC). В 1972 году сотрудники центра трудились над созданием прототипа персонального компьютера с названием Alto и одновременно разрабатывали высокоскоростной лазерный принтер. Всех сотрудников центра в Пало-Альто планировалось снабдить персональными компьютерами, каждый из которых будет подключен к одному и тому же лазерному принтеру. Задача создания сети была возложена на Роберта Меткалфа.

Основными требованиями, которые предъявлялись к новой сети, были высокое быстродействие, необходимое для нормальной работы лазерного принтера, и возможность объединения нескольких сотен компьютеров.

К концу 1972 года Меткалф и несколько других сотрудников исследовательского центра закончили работу над созданием экспериментальной сети, способной передавать данные от одного компьютера к другому со скоростью 2,94 Мбит/с.

Сначала Меткалф назвал свою сеть Alto Aloha Network, а затем переименовал в Ethernet.

22 мая 1973 года Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. В том же году Xerox выпустил первую интерфейсную сетевую плату Ethernet для своих компьютеров Alto.

В 1976 году Роберт Меткалф и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушел из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных сетей.

Ему удалось убедить компании Digital Equipment, Intel и Xerox, что Ethernet должна стать стандартом передачи пакетов по сети персональных компьютеров. Компании начали работать совместно и 30 сентября 1980 года опубликовали спецификацию на сеть Ethernet для передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, которая называется Ethernet версии 1. В 1982 г. Digital Equipment, Intel и Xerox выпустили новую спецификацию Ethernet версии 2. Эту версию стандарта называют Ethernet DIX или Ethernet II.

Первый стандарт IEEE 802.3 был основан на спецификации Ethernet версии 1. Проект стандарта был одобрен группой 802.3 в 1983 году и в 1985 опубликован как официальный стандарт. В исходном стандарте Ethernet предусматривалось использование только коаксиального кабеля (стандарты 10BASE5 и 10BASE2). В начале 1990-х годов появились спецификации на основе витой пары (10BASE-T) и оптоволокна (10BASE-FL).

● В 1995 г. был опубликован стандарт Fast Ethernet (IEEE 802.3u).

● В 1998 г. был опубликован стандарт Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z и 802.3ab).

● В 2002 г. был опубликован стандарт 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3aе).

● В 2010 г. был опубликован стандарт 40 и 100 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ba).

В настоящее время стандарты Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, 40 и 100 Gigabit Ethernet объединены в один стандарт IEEE 802.3-2012. Это гигантский документ, состоящий из 6 секций, который включает версию 2008 г., 2005 г., 2002 г. и всех последующих дополнений.

Форматы кадров Ethernet

В процессе стандартизации в формате оригинального кадра Ethernet произошли изменения. Поле «EtherType» было заменено на поле «Length», также стандарт в соответствии со спецификацией IEEE 802 требовал, чтобы в поле данных инкапсулировался заголовок LLC, который позволял бы определять тип протокола сетевого уровня. Однако, несмотря на принятие стандарта, Ethernet II продолжал широко использоваться. Поэтому через несколько лет в стандарте IEEE 802.3-1997 формально было одобрено использование форматов кадра Ethernet II и IEEE 802.3. Стандарт IEEE 802.3-2012 определяет следующую структуру кадра, обязательную для всех МАС-реализаций (рисунок 5.15):

 

Рис. 5.15 Формат кадра IEEE 802.3-2012

 

Кадр содержит семь обязательных полей:

● Preamble (преамбула) – состоит из семи синхронизирующихся байт 10101010;

● Start-of-Frame-Delimiter (SFP, начальный ограничитель кадра) – содержит значение 10101011. Эта комбинация указывает на то, что следующий байт – это начало заголовка кадра;

● Destination Address (DA, адрес назначение) – МАС-адрес получателя кадра;

● Source Address (SA, адрес источника) – МАС-адрес отправителя кадра;

● Length/Type (длина/тип) – а) если значение меньше или равно 0x05DC (1500 в десятичной системе счисления), то поле указывает на длину поля данных в кадре (интерпретируется как длина); б) если значение больше или равно 0x0600 (1536 в десятичной системе счисления), то поле указывает на тип протокола, вложившего пакет в поле данных кадра (интерпретируется как тип);

● Data (данные) – поле данных переменной длины. Минимальная длина поля 46 байт, максимальная длина поля –1500 байт (для стандартных кадров), 1504 байт (для кадров, содержащих тег протокола IEEE 802.1Q), 1982 байт (для расширенных (envelope) кадров);

● Pad (Padding, заполнение) – состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректное распознавание коллизий при работе протокола CSMA/CD. Если длина поля данных достаточна, поле заполнения в кадре отсутствует;

● Frame Check Sequence (FCS, поле контрольной суммы) – содержит контрольную сумму кадра. Служит для проверки, не искажен ли кадр. Значение поля вычисляется на основе содержимого полей DA, SA, Length/Type, поля данных и заполнения с помощью 32-разрядного циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Code, CRC);

● Поле Extension (расширение) следует за полем FCS и состоит из последовательности битов, которые отличаются от битов данных и используются для выполнения процедур сетевого управления. Если эти процедуры не требуются, длина поля будет равна нулю. Это поле не используется при вычислении контрольной суммы кадра.

Минимальная длина кадра Ethernet составляет 64 байта, максимальная длина: стандартного кадра Ethernet - 1518 байт, кадра Ethernet с тегом стандарта IEEE 802.1Q – 1522 байта, расширенного кадра Ethernet - 2000 байт.

На практике существует четыре формата кадров Ethernet:

● кадр Ethernet II (Ethernet версии 2 или Ethernet DIX);

● кадр IEEE 802.3 /LLC;

● кадр Ethernet SNAP;

● кадр Raw 802.3 (Novell 802.3).

Разные типы кадра имеют некоторые отличия в формате, но могут сосуществовать в одной физической среде. При этом станция-отправитель и станция-получатель должны использовать один и тот же формат кадра. Наибольшее распространение получил кадр Ethernet II.

 

Кадр IEEE 802.3/LLC

Заголовок кадра IEEE 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и IEEE 802.2. Кадр IEEE 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом IEEE 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра.

Рис. 5.16 Кадр IEEE 802.3/LLC

Поскольку в кадр IEEE 802.3/LLC вкладывается кадр подуровня LLC, то тип протокола верхнего уровня, передающего данные, берется из поля SAP кадра LLC. Поэтому в кадре IEEE 802.3/LLC после поля Source Address (адрес источника) расположено двухбайтовое поле Length (длина), которое указывает число байтов в поле данных. Поле данных имеет переменную длину от 46 до 1500 байтов, поэтому значение поля Length может быть меньше или равно 0x05DC (1500 в десятичной системе счисления).

Кадр Ethernet II

Кадр Ethernet II является наиболее распространенным типом кадра Ethernet. Он отличается от кадра IEEE 802.3/LLC тем, что после поля Source Address (адрес источника) следует поле Type (тип), которое используется для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего пакет в поле данных кадра. Поле Length в кадре отсутствует. Для правильной интерпретации, значения в поле Type больше или равны 0x0600 (1536 в десятичной системе счисления).

Рис. 5.17 Кадр Ethernet II

В отличие от поля SAP в заголовке LLC, поле Type имеет дину 2 байта, поэтому один и тот же протокол в полях SAP и Type будут кодироваться в общем случае разными числовыми значениями.

 

 

Кадр Ethernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов верхнего уровня, комитет IEEE 802.2 провел дальнейшую работу по стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP.

Рис. 5.18 Кадр Ethernet SNAP

Кадр Ethernet SNAP является расширением кадра IEEE 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей:

● OUI (Organizational Unique Identifier) – идентификатор организации, которая контролирует коды в поле Type;

● Type (тип) – аналогично полю Type кадра Ethernet II.

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код 0хАА, отведенный для протокола SNAP.

С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадре Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов.