Протоколы физического уровня

Протоколы физического уровня

Протоколы локальных сетей.

Локальные вычислительные сети строились с использованием нескольких типов протоколов физического уровня, отличающихся типом среды передачи, частотным диапазоном сигналов, уровнями сигналов, способами кодировки.

Первыми технологиями построения ЛВС, получившими коммерческое признание, были патентованные решения ARCNET (Attached Resource Computer NETwork) и Token ring (маркерное кольцо), однако в начале 90-х годов прошлого века они постепенно были практически повсеместно вытеснены сетями на базе семейства протоколов Ethernet.

Этот протокол был разработан Исследовательским центром в Пало Альто (PARC) корпорации Xerox в 1973-м году. В 1980 компании Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation совместно разработали и приняли спецификацию Ethernet (Version 2.0). Тогда же в институте IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. В это семейство входят несколько групп стандартов:

802.1 — объединение сетей.

802.2 — Управление логической связью.

802.3 — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet).

802.4 — ЛВС топологии «шина» с передачей маркера.

802.5 — ЛВС топологии «кольцо» с передачей маркера.

802.6 — сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN).

802.7 — Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group).

802.8 -- Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group).

802.9 — Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks).

802.10 — Безопасность сетей.

802.11 — Беспроводная сеть.

802.12 — ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 – номер не был использован!!!

802.14 – Передача данных по сетям кабельного TV (не активна с 2000 г.)

802.15 - Беспроводные персональные сети (WPAN) например Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 - Беспроводные сети WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, по-русски читается вайма́кс)

802.17 называется RPR (Resilient Packet Ring - адаптивное кольцо для пакетов). Разрабатывается с 2000 года в качестве современной магистральной сети городского масштаба.

 

По каждой группе работает свой подкомитет, который разрабатывает и принимает обновления. Стандарты серии IEEE 802 охватывают два уровня модели OSI, нас пока интересуют только те из них и в той части, которые описывают физический уровень.

Ethernet (802.3) — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий.

На сегодняшний день Ethernet является наиболее распространенными протоколами локальных вычислительных сетей. Причем спецификация IEEE 802.3 на сегодняшний день описывает несколько вариантов физической реализации ЛВС с разными средами передачи и скоростями передачи данных.

Базовым свойством, объединяющим все эти спецификации является метод управления доступом к среде передачи данных. Для Ethernet это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В сети Ethernet все узлы равноправны, нет какого либо централизованного управления их активностью или разграничения полномочий (как, например в Token ring). Каждый узел непрерывно прослушивает среду передачи и анализирует содержимое всех пакетов данных, если пакет предназначен не данному узлу, он ему не интересен и на верхние уровни не передается. Проблемы обычно возникают при передаче, поскольку никто не гарантирует, что два узла не попытаются вести передачу одновременно (в результате в кабеле возникнет невоспринимаемая суперпозиция двух сигналов). Для предотвращения таких ситуаций (коллизий) каждый узел прежде чем начать передачу убеждается в отсутствии в кабеле сигналов от других сетевых устройств (контроль несущей). Но этого не достаточно для предотвращения коллизий из-за ограниченности скорости распространения сигнала в среде передачи. Возможна ситуация, что какой-то другой узел уже начел передачу, просто сигнал от него еще не достиг рассматриваемого нами устройства. Т.е в сети Ethernet возможны и являются штатными ситуации когда два или более узла одновременно пытаются передавать данные мешая друг другу. Процедура разрешения такой коллизии заключается в том, что обнаружив в процессе передачи присутствие в кабеле чужого сигнала, все попавшие в такую ситуацию узлы прекращают передачу и предпринимают попытки возобновить её через различные интервалы времени.

 

 

Недостаток вероятностного метода доступа — неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

Рассмотрим подробнее процедуру обнаружения коллизии и взаимозависимость допустимых размеров сети от скорости передачи данных и длины информационных пакетов, передаваемых по сети. Содержимое и внутреннее устройство кадров Ethernet мы будем разбирать на канальном уровне. Пока мы просто будем учитывать, что при скорости распространения сигнала в проводнике около 200 000 000 м/с при работе сетевого адаптера Ethernet IEEE 802.3 со скоростью передачи данных 10 Мбит/с на отправку одного байта уходит 0,8 мкс и он представляет из себя волновой пакет длиной около 150 м.

Теперь еще раз вернёмся к рисунку. Чтобы рабочая станция «А» узнала, что в процессе передачи имела место коллизия, суперпозиция «столкнувшихся» сигналов должна достичь её до того, как будет завершена передача. Это накладывает ограничения на возможную минимальную длину отправляемых пакетов. Действительно, если использовать пакеты короче чем длина кабеля между рабочими станциями «А» и «В», возможна ситуация, когда пакет полностью отправлен первой станцией (и она уже решила, что передача прошла успешно), а он еще даже не дошел до второй, и она имеет полное право начинать передавать свои данные в любой момент времени. Нетрудно убедиться, что избежать подобных недоразумений можно только используя пакеты такой длины, что за время их передачи сигнал успевает добежать до самой удаленной станции и вернуться обратно.

При скорости передачи данных в 10 Мбит/с эта проблема не играла существенной роли и минимальная длина кадра была ограничена размером 64 байта. За время их передачи первые биты успевают пробежать около 10 км, и для сетей с максимальной длиной сегмента в 500 м. все необходимые условия оказываются выполненными.

При переходе к 100 Мбит/с длина минимального кадра сократиться в 10 раз. Это существенно ужесточает параметры работы сети и максимальное расстояние между станциями было сокращено до 100 м.

При скорости 1000 Мбит/с 64 байта передаются всего за 0,512 мкс и поэтому в гигабитных сетях пришлось увеличить минимальную длину кадра в 8 раз до 512 байт. Если данных для наполнения кадра не хватает, сетевой адаптер просто дополняет его специальной последовательностью символов до этой длины. Этот приём называется «расширением носителя».

Решая проблему обнаружения коллизий, расширение носителя впустую расходует полосу пропускания канала передачи данных при передаче маленьких пакетов. Чтобы уменьшить влияние этого фактора в гигабитном Ethernet адаптеру разрешено при наличии нескольких готовых к передаче коротких кадров формировать из них определённым образом один общий кадр «нормальной» длины до 1518 байт.

Более того, было предложено допустить использование кадров большей длины, чем в предыдущих стандартах Ethernet. Это предложение было реализовано в виде так называемых “jumbo” - кадров длиной до 9018 или даже более байт.

IEEE 802.3 определяет несколько различных стандартов физического уровня. Каждый из стандартов протокола физического уровня IEEE 802.3 имеет наименование.

 

Характеристики	Ethernet	IEEE 802.3i	IEEE 802.3j	IEEE 802.3u	IEEE 802.3ab	IEEE 802.3z	IEEE 802.3an
		10BaseT	10BASE-F	100BaseTX	1000BaseT	1000Base-SX,LX	10GBaseLH
Скорость, Mbps
Макс. длина сегмента, м
Среда передачи	50-Ом коаксиал (толстый)	TP cat 3 - 5	ВОК 1270 нм	TP cat 5	TP cat 5e	ВОК, 830, 1270 нм	TP cat 7
Топология	Шина	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда
Тип передачи	полудуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс

 

Из таблицы видно, что исходная топология общая шина (толстый Ethernet, тонкий Ethernet) достаточно быстро была заменена на звезду.

TokenRing (IEEE 802.5)

 

Сеть Token Ring была представлена фирмой IBM в 1984 г., как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров и компьютерных систем. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. Принципиальное отличие от Ethernet - детерминированный мет од доступа к среде в предопределенном порядке. Реализован доступ с передачей маркера (применяемый также в сетях ARCnet, и FDDI).

Кольцевая топология означает упорядоченную передачу информации от одной станции к другой в одном направлении, строго по порядку включения. Кольцевая логическая топология реализуется на основе физиче­ской звезды, в центре которой находится много станционное устройство доступа устройство (MSAU - Multi-Station Access Unit).

В любой момент време­ни передачу данных может вести только одна станция, захватившая маркер доступа (token). При передаче данных в заголовке маркера делается отметка о занятости, и маркер превращается в обрамление начала кадра. Остальные станции побитно транслируют кадр от предыдущей (upstream) станции к последующей (downstream). Станция, которой адресован текущий кадр, сохраняет его копию в своем буфере для последующей обработки и транслирует его далее по кольцу, сделав отметку о получении. Таким образом кадр по кольцу достигает передаю­щей станции, которая удаляет его из кольца (не транслирует дальше). Когда станция заканчивает передачу, она помечает маркер как свободный и передает его дальше по кольцу. Время, в течение которого станция имеет право пользоваться маркером, регламентировано. Захват маркера осуществляется на основе приоритетов, назначаемых станциям.

С ростом активности узлов полоса пропускания, достающаяся каждому из узлов, сужается, но обвальной деградации производительности (как в Ethernet) не происходит. Кроме того, механизм приоритетов и ограничения на время владения маркером позволяют привилегированным узлам выделять га­рантированную полосу пропускания независимо от общей загрузки сети. Количество узлов в одном кольце не должно превышать 260 (сегмент Ethernet теорети­чески допускает 1024 узла). Скорость передачи 16 Мбит/с, размер кадра может достигать 18,2 Кбайт.

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring

ADSL

Весь диапазон передаваемых частот разделен на три части. "Голосовые" частоты (от 0 до 4 кГц) остаются незадействованными в передаче данных. Они остаются исключительно для телефонных разговоров. Следующая часть, частоты от 25 до 160 кГц, используются для передачи данных от пользователя к провайдеру. Диапазон от 240 кГц до 1,5 МГц несёт информацию в обратную сторону. Именно это и есть отличие ADSL от простой DSL. Дело в том, что от провайдера к пользователю поступает гораздо больше информации, чем в обратную сторону. Это и используется в ADSL для увеличения скорости связи

 

Система ADSL использует 256 частотных каналов для потока в одну сторону (downstream) и 32 канала для передачи в другую сторону (upstream) данных. Эти каналы в полосе частот расположены непосредственно рядом друг с другом, ширина полосы каждого составляет соответственно 4,3125 КГц. Влияние шума на линии связи зависит, как правило, от частоты, поэтому он влияет только на часть спектра. Благодаря тому, что ADSL разделяет канал на множество индивидуальных интервалов по 4 КГц и использует каждый из них в полном объеме, данная технология эффективно оперирует всем доступным диапазоном частот.

Уровни сигналов данных

Уровень	Передатчик	Приемник
Логический 0	От +5 В до +15 В	От +3 В до +25 В
Логический 1	от-5 В до -15 В	От -3 В до -25 В
Не определен	От -3 В до +3 В

Уровни управляющих сигналов

Сигнал	На выходе устр-ва (Driver)	На входе устр-ва (Terminator)
"Off"	От -5 В до -15 В	от -3 В до -25 В
"On"	От 5 В до 15 В	от 3 В до 25 В

Для подключения обычно используются разъёмы с 9-ю или 25-ти контактами типа D. Они обозначаются DB-9, DB-25:

 

Контакты разъемов

DB25 Розетка (мама)
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
	SHIELD	---	Shield Ground - защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
	TXD	-->	Transmit Data - Выход передатчика
	RXD	<--	Receive Data - Вход приемника
	RTS	-->	Request to Send - выход запроса передачи данных
	CTS	<--	Clear to Send - вход разрешения терминалу передавать данные
	DSR	<--	Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных
	GND	---	System Ground - сигнальная (схемная) земля
	CD	<--	Carrier Detect - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
9-19	N/C	-	-
	DTR	-->	Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными
	N/C	-	-
	RI	<--	Ring Indicator - вход индикатора вызова (звонка)
23-25	N/C	-	-

 

DB9 Розетка (мама)
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
	CD	<--	Carrier Detect
	RXD	<--	Receive Data
	TXD	-->	Transmit Data
	DTR	-->	Data Terminal Ready
	GND	---	System Ground
	DSR	<--	Data Set Ready
	RTS	-->	Request to Send
	CTS	<--	Clear to Send
	RI	<--	Ring Indicator

 

Иногда применяется разъем типа RJ-45. Использование его контактов не стандартизовано, один из используемых вариантов приведен ниже.

RJ-45
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
	RI	<--	Ring Indicator
	CD	<--	Carrier Detect
	DTR	-->	Data Terminal Ready
	GND	---	System Ground
	RxD	<--	Receive Data
	TxD	-->	Transmit Data
	CTS	<--	Clear to Send
	RTS	-->	Request to Send

Используется несколько типов кабелей. Для соединения DTE-DCE используются кабели прямого соединения, контакты соединяются один к одному. Для соединения DTE - DTE используют кросс-кабели нескольких типов называемые «нуль-модемными».

Протокол V.35

Потребность в увеличении скорости обмена в соединениях DTE-DCE привели к распространению разработанного в протоколе V.35 высокоскоростного интерфейса. Первоначально стандарт V.35 был разработан для подключения группы модемов к коммуникационному устройству. Группа модемов работает в конфигурации, обратной мультиплексору, т.е. мультиплексор объединяет несколько 19,2-кбит/с модемных линий, образуя из них одну быструю линию. Подобная конфигурация обеспечивала передачу данных со скоростями цифровых линий там, где имелись только обычные телефонные линии. Коммерческого успеха эта идея не имела, но определение интерфейса пришлось по душе изготовителям оборудования, которые приняли его в качестве высокоскоростной замены старинного интерфейса RS-232.

В спецификации не был определен стандарт электрического разъема, но фирма IBM начала выпускать совместимые с V.35 большие прямоугольные разъемы М/34 с огромными прижимными винтами. Получилось очень надежное соединение: М/34 разъемы невозможно соединить неправильно, а большие прижимные винты гарантировали, что вилку соединителя нельзя было так просто выдернуть.

 

Интерфейс имеет низкий уровень логических единицы и нуля и дифференциальные линии передачи данных. Напряжение передатчика +0.35 В для линии B и -0.2 В для линии A. Спецификация определяет максимальную длину кабеля в завистмости скорости передачи. При скорости 100 Кбит/с длина кабеля от 600 до 1200 м. Для скорости 10 мбит/с длина кабеля 90 м.

Прямоугольный четырехрядный 34 –х контактный разъём М/34 имеет следующее обозначение выводов:

M/34 Male	M/34 Female

 

Протокол HSSI

Дальнейший прогресс в скорости доступных линий связи потребовал использования ещё более скоростных интерфейсов для подключений DTE – DCE.

Компаниями Cisco Systems и T3Plus Networking для удовлетворения новых потребностей был разработан высокоскоростной последовательный интерфейс (High-Speed Serial Interface - HSSI) HSSI определяет как электрический, так и и физический интерфейсы. Он является открытым и используется многими другими производителями оборудования.

Технические характеристики HSSI обобщены в таблице:

 

Параметр	Величина
Наибольшая скорость передачи данных	52 Мб/c
Наибольшая длина кабеля	15 метров
Количество контактов в разъеме
Интерфейс	DTE/DCE
Обработка электросигнала	Разностная ECL (логические схемы с эмиттерным повторителем)
Мощность	610 мВт
Топология	P-to-P
Тип кабеля	Экранированная витая пара

Максимальная скорость передачи сигнала HSSI равна 52 Mb/сек. На этой скорости HSSI может оперировать скоростями Т3 (45 Mb/сек) большинства современных быстродействующих технологий WAN, а также может обеспечить высокоскоростное соединение между локальными сетями.

Данный протокол весьма интеллектуален. Так, он делает возможным выделение пользователю ограниченной полосы пропускания. Также он имеет встроенные механизмы контроля линии на участках: кабель между DTE и DCE, DTE – выходной порт DCE, DTE – порт DCE на дальнем конце линии WAN и проверку функционирования порта DTE по запросу DCE.

HSSI использует субминиатюрный, 50-контактный соединитель, размеры которого меньше, чем у его аналога V.35

Протокол G.703

Протокол (а точнее серия протоколов) G.703 был разработан в 1972 году сектором стандартизации электросвязи международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU). Необходимость в нем была продиктована потребностями магистральных телефонных операторов, активно строивших линии связи передачи оцифрованного голосового трафика для замены магистральных каналов с частотным уплотнением. Протокол базируется на стандартах G.702, G.704 и I.430 и обслуживает цифровые сети иерархией PDH и SDH.

G.703 может работать на скоростях передачи данных 64, 1544, 6312, 32064 и 44736 Кбит/с (PDH, американская версия), 2048, 8448, 34368, 139264 Кбит/с (европейская версия). Предусматривается работа и при 155,52 Мбит/с. В качестве физического канала передачи может использоваться витая пара (две пары, Z=100-120 Ом) или коаксиальный кабель (два кабеля, 75 Ом). Амплитуда импульсов 1-3В.

Для передачи сигналов в каждом направлении используется отдельная пара. По ней передаётся информационный сигнал и тактовый синхронизирующий сигнал. Предусматривает 3 вида взаимодействия терминального оборудования: однонаправленный, разнонаправленный,и с центральным тактовым генератором:

 

Частота синхронизирующих сигналов может быть меньше скорости передачи данных в 2, 4 и 8 раз.

Для каждой скорости обмена данными предусматриваются собственные спецификации физических параметров сигнала и разные типы кодирования. Для проводных каналов на основе витой пары имеем:

Скорость [кбит/с]
Тип кода	AMI	AMI B8ZS	B6ZS	AMI	B3ZS	HDB3	HDB3	HDB3	CMI	CMI
Амплитуда, В	1,0	3,0	1,0	1,0	1,0	2,37 3,0	2,37	1,0	±0,55	±0,55
Ширина импульса, нс		323,5		15,6	11,2		59,0	14,55	3,59	3,2

 

Используемое здесь биполярное кодирование с альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI) это сигнал с тремя состояниями, использующий нулевое напряжение для передачи бита “0” и альтернативные напряжения для передачи бита “1”

 

 

•,

Данное кодирование обеспечивает хорошее поддержание синхронизации при передаче последовательностей единиц но хуже ведет себя при передаче непрерывных последовательностей нулей. Для устранения этого недостатка используется его модификация B8ZS или Binary-8 Zero Substitution в которой каждые последовательные восемь бит «0» заменяются последовательностью с нарушением чередования полярностей

 

Для высоких скоростей передачи используются биполярное кодирование с высокой плотностью (High density bipolar code of order 3 - HDB3). Представление битов в методе HDB3 лишь незначительно отличается от представления, используемого алгоритмом AMI. При наличии в потоке данных 4 последовательных битов 0 последовательность изменяется на 000V, где полярность бита V такая же, как для предшествующего ненулевого.

При максимальных скоростях передачи в G.703 специфицировано кодирование с инверсией кодовых маркеров (coded mark inversion - CMI). Используется инверсия полярности для каждой логической 1 (единице ставится в соответствие 11 или 00), а для каждого логического нуля вводится смена полярности в середине интервала.

 

основных разновидностей интерфейса G.703 приведены в таблице.

 

USB

 

USB 1.0 Спецификация выпущена в ноябре 1995 года. Предусмотрены два режима передачи данных: режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с и режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с При этом общая древовидная топология с активными разветвителями может объединять до 127 устройств. Обеспечивается питание подключенных устройств напряжением 5 В с максимальным потребляемым током 500 мА.

В процессе принятия спецификация USB 3.0 В этой версии стандарта максимальная скорость передачи данных поднята еще на порядок до 4,8 Гбит/с и увеличен максимальный допустимый ток в шине питания до 900 мА.

IEEE 1394

 

Разработка стандарта IEEE 1394 (известного также как FireWire или i-Link) началась в 1986 году. Задачей разработчиков было создание универсального внешнего интерфейса, пригодного как для работы с мультимедиа, так и с накопителями данных, принтеров, сканеров и тому подобного. В результате 12 декабря 1995 года появился 10 мегабайтный документ под названием 1394-1995.pdf, который описывал первую версию стандарта.

· Последовательная шина вместо параллельного интерфейса позволила использовать кабеля малого диаметра и разъёмы малого размера.

· Поддержка горячего подключения и отключения всего чего угодно.

· Питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель.

· Высокая скорость

· Возможность строить сети из различных устройств и самой различной конфигурации.

· Простота конфигурации и широта возможностей. Через IEEE 1394 может работать самое различное оборудование, причём пользователю не придётся мучаться вопросом, как это всё правильно подключить.

Роль Appl в развитии стандарта.

 

Протоколы физического уровня

Протоколы локальных сетей.

Локальные вычислительные сети строились с использованием нескольких типов протоколов физического уровня, отличающихся типом среды передачи, частотным диапазоном сигналов, уровнями сигналов, способами кодировки.

Первыми технологиями построения ЛВС, получившими коммерческое признание, были патентованные решения ARCNET (Attached Resource Computer NETwork) и Token ring (маркерное кольцо), однако в начале 90-х годов прошлого века они постепенно были практически повсеместно вытеснены сетями на базе семейства протоколов Ethernet.

Этот протокол был разработан Исследовательским центром в Пало Альто (PARC) корпорации Xerox в 1973-м году. В 1980 компании Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation совместно разработали и приняли спецификацию Ethernet (Version 2.0). Тогда же в институте IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. В это семейство входят несколько групп стандартов:

802.1 — объединение сетей.

802.2 — Управление логической связью.

802.3 — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet).

802.4 — ЛВС топологии «шина» с передачей маркера.

802.5 — ЛВС топологии «кольцо» с передачей маркера.

802.6 — сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN).

802.7 — Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group).

802.8 -- Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group).

802.9 — Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks).

802.10 — Безопасность сетей.

802.11 — Беспроводная сеть.

802.12 — ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 – номер не был использован!!!

802.14 – Передача данных по сетям кабельного TV (не активна с 2000 г.)

802.15 - Беспроводные персональные сети (WPAN) например Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 - Беспроводные сети WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, по-русски читается вайма́кс)

802.17 называется RPR (Resilient Packet Ring - адаптивное кольцо для пакетов). Разрабатывается с 2000 года в качестве современной магистральной сети городского масштаба.

 

По каждой группе работает свой подкомитет, который разрабатывает и принимает обновления. Стандарты серии IEEE 802 охватывают два уровня модели OSI, нас пока интересуют только те из них и в той части, которые описывают физический уровень.

Ethernet (802.3) — ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий.

На сегодняшний день Ethernet является наиболее распространенными протоколами локальных вычислительных сетей. Причем спецификация IEEE 802.3 на сегодняшний день описывает несколько вариантов физической реализации ЛВС с разными средами передачи и скоростями передачи данных.

Базовым свойством, объединяющим все эти спецификации является метод управления доступом к среде передачи данных. Для Ethernet это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В сети Ethernet все узлы равноправны, нет какого либо централизованного управления их активностью или разграничения полномочий (как, например в Token ring). Каждый узел непрерывно прослушивает среду передачи и анализирует содержимое всех пакетов данных, если пакет предназначен не данному узлу, он ему не интересен и на верхние уровни не передается. Проблемы обычно возникают при передаче, поскольку никто не гарантирует, что два узла не попытаются вести передачу одновременно (в результате в кабеле возникнет невоспринимаемая суперпозиция двух сигналов). Для предотвращения таких ситуаций (коллизий) каждый узел прежде чем начать передачу убеждается в отсутствии в кабеле сигналов от других сетевых устройств (контроль несущей). Но этого не достаточно для предотвращения коллизий из-за ограниченности скорости распространения сигнала в среде передачи. Возможна ситуация, что какой-то другой узел уже начел передачу, просто сигнал от него еще не достиг рассматриваемого нами устройства. Т.е в сети Ethernet возможны и являются штатными ситуации когда два или более узла одновременно пытаются передавать данные мешая друг другу. Процедура разрешения такой коллизии заключается в том, что обнаружив в процессе передачи присутствие в кабеле чужого сигнала, все попавшие в такую ситуацию узлы прекращают передачу и предпринимают попытки возобновить её через различные интервалы времени.

 

 

Недостаток вероятностного метода доступа — неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

Рассмотрим подробнее процедуру обнаружения коллизии и взаимозависимость допустимых размеров сети от скорости передачи данных и длины информационных пакетов, передаваемых по сети. Содержимое и внутреннее устройство кадров Ethernet мы будем разбирать на канальном уровне. Пока мы просто будем учитывать, что при скорости распространения сигнала в проводнике около 200 000 000 м/с при работе сетевого адаптера Ethernet IEEE 802.3 со скоростью передачи данных 10 Мбит/с на отправку одного байта уходит 0,8 мкс и он представляет из себя волновой пакет длиной около 150 м.

Теперь еще раз вернёмся к рисунку. Чтобы рабочая станция «А» узнала, что в процессе передачи имела место коллизия, суперпозиция «столкнувшихся» сигналов должна достичь её до того, как будет завершена передача. Это накладывает ограничения на возможную минимальную длину отправляемых пакетов. Действительно, если использовать пакеты короче чем длина кабеля между рабочими станциями «А» и «В», возможна ситуация, когда пакет полностью отправлен первой станцией (и она уже решила, что передача прошла успешно), а он еще даже не дошел до второй, и она имеет полное право начинать передавать свои данные в любой момент времени. Нетрудно убедиться, что избежать подобных недоразумений можно только используя пакеты такой длины, что за время их передачи сигнал успевает добежать до самой удаленной станции и вернуться обратно.

При скорости передачи данных в 10 Мбит/с эта проблема не играла существенной роли и минимальная длина кадра была ограничена размером 64 байта. За время их передачи первые биты успевают пробежать около 10 км, и для сетей с максимальной длиной сегмента в 500 м. все необходимые условия оказываются выполненными.

При переходе к 100 Мбит/с длина минимального кадра сократиться в 10 раз. Это существенно ужесточает параметры работы сети и максимальное расстояние между станциями было сокращено до 100 м.

При скорости 1000 Мбит/с 64 байта передаются всего за 0,512 мкс и поэтому в гигабитных сетях пришлось увеличить минимальную длину кадра в 8 раз до 512 байт. Если данных для наполнения кадра не хватает, сетевой адаптер просто дополняет его специальной последовательностью символов до этой длины. Этот приём называется «расширением носителя».

Решая проблему обнаружения коллизий, расширение носителя впустую расходует полосу пропускания канала передачи данных при передаче маленьких пакетов. Чтобы уменьшить влияние этого фактора в гигабитном Ethernet адаптеру разрешено при наличии нескольких готовых к передаче коротких кадров формировать из них определённым образом один общий кадр «нормальной» длины до 1518 байт.

Более того, было предложено допустить использование кадров большей длины, чем в предыдущих стандартах Ethernet. Это предложение было реализовано в виде так называемых “jumbo” - кадров длиной до 9018 или даже более байт.

IEEE 802.3 определяет несколько различных стандартов физического уровня. Каждый из стандартов протокола физического уровня IEEE 802.3 имеет наименование.

 

Характеристики	Ethernet	IEEE 802.3i	IEEE 802.3j	IEEE 802.3u	IEEE 802.3ab	IEEE 802.3z	IEEE 802.3an
		10BaseT	10BASE-F	100BaseTX	1000BaseT	1000Base-SX,LX	10GBaseLH
Скорость, Mbps
Макс. длина сегмента, м
Среда передачи	50-Ом коаксиал (толстый)	TP cat 3 - 5	ВОК 1270 нм	TP cat 5	TP cat 5e	ВОК, 830, 1270 нм	TP cat 7
Топология	Шина	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда	Звезда
Тип передачи	полудуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс	дуплекс

 

Из таблицы видно, что исходная топология общая шина (толстый Ethernet, тонкий Ethernet) достаточно быстро была заменена на звезду.

TokenRing (IEEE 802.5)

 

Сеть Token Ring была представлена фирмой IBM в 1984 г., как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров и компьютерных систем. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. Принципиальное отличие от Ethernet - детерминированный мет од доступа к среде в предопределенном порядке. Реализован доступ с передачей маркера (применяемый также в сетях ARCnet, и FDDI).

Кольцевая топология означает упорядоченную передачу информации от одной станции к другой в одном направлении, строго по порядку включения. Кольцевая логическая топология реализуется на основе физиче­ской звезды, в центре которой находится много станционное устройство доступа устройство (MSAU - Multi-Station Access Unit).

В любой момент време­ни передачу данных может вести только одна станция, захватившая маркер доступа (token). При передаче данных в заголовке маркера делается отметка о занятости, и маркер превращается в обрамление начала кадра. Остальные станции побитно транслируют кадр от предыдущей (upstream) станции к последующей (downstream). Станция, которой адресован текущий кадр, сохраняет его копию в своем буфере для последующей обработки и транслирует его далее по кольцу, сделав отметку о получении. Таким образом кадр по кольцу достигает передаю­щей станции, которая удаляет его из кольца (не транслирует дальше). Когда станция заканчивает передачу, она помечает маркер как свободный и передает его дальше по кольцу. Время, в течение которого станция имеет право пользоваться маркером, регламентировано. Захват маркера осуществляется на основе приоритетов, назначаемых станциям.