Протокол LLC уровня управления логическим каналом (802.2)

Протокол LLC обеспечивает для технологий локальных сетей нужное качество ус­луг транспортной службы, передавая свои кадры либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения и восстановлением кадров. Протокол LLC занимает уровень между сетевыми протоколами и протоколами уровня MAC. Протоколы сетевого уровня передают через межуровневый интер-

фейс данные для протокола LLC — свой пакет (например, пакет IP, IPX или;

NetBEUI), адресную информацию об узле назначения, а также требования к качеству транспортных услуг, которое протокол LLC должен обеспечить. Протокол LLC-1 помещает пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется не- обходимыми служебными полями. Далее через межуровневый интерфейс протокол. LLC передает свой кадр вместе с адресной информацией об узле назначения соответствующему протоколу уровня MAC, который упаковывает кадр LLC в свой кадр (например, кадр Ethernet).

 

В основу протокола LLC положен протокол HDLC (High-level Data Link Cont Procedure), являющийся стандартом ISO. Собственно стандарт HDLC предстаю ет собой обобщение нескольких близких стандартов, характерных для различи технологий: протокола LAP-В сетей Х.25 (стандарта, широко распространенного втерриториальных сетях), LAP-D, используемого в сетях ISDN, LAP-M, работа щего в современных модемах. В спецификации IEEE 802.2 также имеется несколько небольших отличий от стандарта HDLC.

Первоначально в фирменных технологиях подуровень LLC не выделялся в мостоятельный подуровень, да и его функции растворялись в общих функция протокола канального уровня. Из-за больших различий в функциях протоколеле фирменных технологий, которые можно отнести к уровню LLC, на уровне LI пришлось ввести три типа процедур. Протокол сетевого уровня может обращат к одной из этих процедур.

3.2.1. Три типа процедур уровня LLC

В соответствии со стандартом 802.2 уровень управления логическим каналом предоставляет верхним уровням три типа процедур:

LLC1 — процедура без установления соединения и без подтверждения;

LLC2 — процедура с установлением соединения и подтверждением;

LLC3 — процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Этот набор процедур является общим для всех методов доступа к среде, ог ленных стандартами 802.3 - 802.5, а также стандартом FDDI и стандартом 802.1 на технологию lOOVG-AnyLAN.

Процедура без у становления соединения и без подтверждения LLC1 дает пользовате­лю средства для передачи данных с минимумом издержек. Это дейтаграммный режим работы. Обычно этот вид процедуры используется, когда такие функции, как восста­новление данных после ошибок и упорядочивание данных, выполняются протокола­ми вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублироватьлх на уровне LLC.

Процедура с установлением соединений и подтверждением LLC2 дает пользо­вателю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока этих блоков в рамках установленного соединения. Протокол LLC2 во многом аналогичен протоколам семейства HDLC (LAP-B, LAP-D, LAP-M), которые применяются в глобальных сетях для обеспече­ния надежной передачи кадров на зашумленных линиях. Протокол LLC2 работает в режиме скользящего окна.

В некоторых случаях (например, при использовании сетей в системах реально­го времени, управляющих промышленными объектами), когда временные издерж­ки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение о корректности приема переданных данных необходимо, базовая процедура без установления соединения и без подтверждения не подходит. Для таких случаев предусмотрена дополнительная процедура, называемая процедурой без установления соединения, но с подтверждением LLC3.

Использование одного из трех режимов работы уровня LLC зависит от страте­гии разработчиков конкретного стека протоколов. Например, в стеке TCP/IP уро­вень LLC всегда работает в режиме LLC1, выполняя простую работу извлечения из кадра и демультиплексирования пакетов различных протоколов — IP, ARP, RARP. Аналогично используется уровень LLC стеком IPX/SPX.

А вот стек Microsoft/IBM, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEUI, часто использует режим LLC2. Это происходит тогда, когда сам протокол NetBIOS/Net­BEUI должен работать в режиме с восстановлением потерянных и искаженных данных. В этом случае эта работа перепоручается уровню LLC2. Если же протокол NetBIOS/NetBEUI работает в дейтаграммном режиме, то протокол LLC работает в режиме LLC1.

Режим LLC2 используется также стеком протоколов SNA в том случае, когда на нижнем уровне применяется технология Token Ring.

3.2.2. Структура кадров LLC. Процедура с восстановлением кадров LLC2

По своему назначению все кадры уровня LLC (называемые в стандарте 802.2 бло­ками данных — Protocol Data Unit, PDU) подразделяются на три типа — информа­ционные, управляющие и ненумерованные.

⁰ Информационные кадры (Information) предназначены для передачи информа­ции в процедурах с установлением логического соединения LLC2 и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информацион­ных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна.

• Управляющие кадры (Supervisory) предназначены для передачи команд и от­ветов в процедурах с установлением логического соединения LLC2, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных бло­ков.

Ненумерованные кадры (Unnumbered) предназначены для передачи ненумеро­ванных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логи­ческого соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в процедурах с установлением логического соединения LLC2 — установление и разъединение логического соединения, а также информирова­ние об ошибках. Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат:

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями «Флаг», имеющими значение 01111110. Флаги используются на уровне MAC для определения границ! кадра LLC. В соответствии с многоуровневой структурой протоколов стандартов^ IEEE 802, кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring, I FDDI и т. д. При-этом флаги кадра LLC отбрасываются.

Кадр LLC содержит поле данных и заголовок, который состоит из трех полей:

• адрес точки входа службы назначения (Destination Service Access Point, DSAP), адрес точки входа службы источника (Source Service Access Point, SSAP);

• управляющее поле (Control).

Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней — сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, редких случаях — прикладных протоколов, когда те вкладывают свои сообщени) непосредственно в кадры канального уровня. Поле данных может отсутствовать управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Адресные поля DSAP и SSAP занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Програ ному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего ка чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу верхнего уровг для последующей обработки. Для идентификации этих протоколов вводятся так называемые адреса точки входа службы (Service Access Point, SAP). Значения

адресов SAP приписываются протоколам в соответствии со стандартом 802.2.Например, для протокола IP значение SAP равно 0х6, для протокола NetBIOS -OxFO. Для одних служб определена только одна точка входа и, соответственно

только один SAP, а для других — несколько, когда адреса DSAP и SSAP совпадают. Например, если в кадре LLC значения DSAP и SSAP содержат код протокола IP, то обмен кадрами осуществляется между двумя IPX-модулями, выполняющимис в разных узлах. Но в некоторых случаях в кадре LLC указываются различающиеся DSAP и SSAP. Это возможно только в тех случаях, когда служба имеет нескольк адресов SAP, что может быть использовано протоколом узла отправителя в специй альных целях, например для уведомления узла получателя о переходе протокола отправителя в некоторый специфический режим работы. Этим свойством проток LLC часто пользуется протокол NetBEUI.

Поле управления (1 или 2 байта) имеет сложную структуру при работе в режиме LLC2 и достаточно простую структуру при работе в режиме LLC1 (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Структура поля управления

В режиме LLC1 используется только один тип кадра - ненумерованный. У этого кадра поле управления имеет длину в один байт. Все подполя поля управления нену­мерованных кадров принимают нулевые значения, так что значимыми остаются только первые два бита поля, используемые как признак типа кадра. Учитывая, что в прото­коле Ethernet при записи реализован обратный порядок бит в байте, то запись поля управления кадра LLC1, вложенного в кадр протокола Ethernet, имеет значение 0х03 (здесь и далее префикс Ох обозначает шестнадцатеричное представление).

В режиме LLC2 используются все три типа кадров. В этом режиме кадры делят­ся на команды и ответы на эти команды. Бит P/F (Poll/Final) имеет следующее значение: в командах он называется битом Poll и требует, чтобы на команду был дан ответ, а в ответах он называется битом Final и говорит о том, что ответ состоит из одного кадра.

Ненумерованные кадры используются на начальной стадии взаимодействия двух узлов, а именно стадии установления соединения по протоколу LLC2. Поле М ненумерованных кадров определяет несколько типов команд, которыми пользуют­ся два узла на этапе установления соединения. Ниже приведены примеры некото­рых команд.

• Установить сбалансированный асинхронный расширенный режим (SABME). Эта команда является запросом на установление соединения. Она является одной. из команд полного набора команд такого рода протокола HDLC. Расширенный режим означает использование двухбайтных полей управления для кадров ос­тальных двух типов.

⁹ Ненумерованное подтверждение (UA). Служит для подтверждения установле­ния или разрыва соединения.

• Сброс соединения (REST). Запрос на разрыв соединения.

После установления соединения данные и положительные квитанции начина­ют передаваться в информационных кадрах. Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, так что данные могут передаваться в обоих направлениях. с.сли поток дуплексный, то положительные квитанции на кадры также доставля­ются в информационных кадрах. Если же потока кадров в обратном направлении

нет или же нужно передать отрицательную квитанцию, то используются суперви-зорные кадры.

В информационных кадрах имеется поле N(S) для указания номера отправлен­ного кадра, а также поле N(R) для указания номера кадра, который приемник ожидает получить от передатчика следующим. При работе протокола LLC2 ис-

 

пользуется скользящее окно размером в 127 кадров, а для их нумерации цикличес­ки используется 128 чисел, от 0 до 127.

Приемник всегда помнит номер последнего кадра, принятого от передатчика, и, поддерживает переменную с указанным номером кадра, который он ожидает принять от передатчика следующим. Обозначим его через V(R). Именно это значение передается в поле N(R) кадра, посылаемого передатчику. Если в ответ на этот кадр приемник принимает кадр, в котором номер посланного кадра N(S) совпадает с но- мером ожидаемого кадра V(R), то такой кадр считается корректным (если, конечно, корректна его контрольная сумма). Если приемник принимает кадр с номером N(S) неравным V(R), то этот кадр отбрасывается и посылается отрицательная квитанция Отказ (REJ) с номером V(R). При приеме отрицательной квитанции передатчик обязан повторить передачу кадра с номером V(R), а также всех кадров с большим номерами, которые он уже успел отослать, пользуясь механизмом окна в 127 кадров.

В состав супервизорных кадров входят следующие:

• Отказ (REJect);

» Приемник не готов (Receiver Not Ready, RNR);

в Приемник готов (Receiver Ready, RR).

Команда RR с номером N(R) часто используется как положительная квита ция, когда поток данных от приемника к передатчику отсутствует, а команда RNR для замедления потока кадров, поступающих на приемник. Это может быть нео ходимо, если приемник не успевает обработать поток кадров, присылаемых ему большой скоростью за счет механизма окна. Получение кадра RNR требует от передатчика полной приостановки передачи, до получения кадра RR. С помощью этих кадров осуществляется управление потоком данных, что особенно важно для коммутируемых сетей, в которых нет разделяемой среды, автоматически тормозящей работу передатчика за счет того, что новый кадр нельзя передать, пока приёмник не закончил прием предыдущего.

Выводы

Протокол LLC обеспечивает для технологий локальных сетей нужное качест транспортной службы, передавая свои кадры либо дейтаграммным способом, ли с помощью процедур с установлением соединения и восстановлением кадров.

* LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур: процедуру без уст;

вления соединения и без подтверждения; процедуру с установлением соедине и подтверждением; процедуру без установления соединения, но с подтверг нием.

Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, так что данныемоглипередаваться в обоих направлениях.

* Протокол LLC в режиме с установлением соединения использует алгоритм ci зящего окна.

• Протокол LLC с помощью управляющих кадров имеет возможность регулщ вать поток данных, поступающих от узлов сети. Это особенно важно для ков мутируемых сетей, в которых нет разделяемой среды, автоматически тормозящй работу передатчика при высокой загрузке сети.

Технология Ethernet (802.3)

Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet — в 50 миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реа­лизовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 го­ду фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал по­следней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стан­дарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, ко­торый во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet DIX определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы отличить Ethernet, определен­ный стандартом IEEE, и фирменный Ethernet DIX, первый называют техно­логией 802.3, а за фирменным оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений.

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

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3и. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

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 (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод CSMA/CD.

3.3.1. Метод доступа CSMA/CD

⁰ сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

 

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры та­кой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновре­менно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 3.3). Простота схемы под­ключения — это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Гово­рят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Рис. 3.3. Метод случайного доступа CSMA/CD

Этапы доступа к среде

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

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). IIод знаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которой при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал пе давать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сетии передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая стоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 1010101 Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, переводит их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ.

Адрес источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая часто­та, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать техно­логическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также меж­кадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной стан­цией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пы­таются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают переда­вать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации — методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выде­лять сигналы каждой станции из общего сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что этот факт отражен в составляющей ТBase, присутствующей в названиях всех физичес­ких протоколов технологии Ethernet (например, lOBase-2, lOBase-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственно­му каналу, без частотного разделения.

Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изоб­раженном на рис. 3.4, коллизию породила одновременная передача данных узла­ми. 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.

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

 

Рис. 3.4. Схема возникновения и распространения коллизии

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

Пауза = L х (интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначй ся как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала 0,1 мкс или 100);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона О, 2, где N — номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.

После 10- опытки интервал, из которого выбирается пауза. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнений потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интен­сивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложе­ния, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует стан­ции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте исполь­зования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа — маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN — свободны от этого недостатка.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым ус­ловием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несов­падения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет по­вторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более дли­тельный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это при­ведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соот­ношение:

 

Tmin — время передачи кадра минимальной длины, a PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это вре­мя называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнару­жить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины Минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины

кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нор­мальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связываю­щее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра со- ставляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой — 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины pas но 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит (типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учип вая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояи между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этой расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничение

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавай коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандарта длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла быбыть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать и нимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных линиях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метров. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможны) времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегменых сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задерэ в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

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

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартов, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet.

Максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально уве­личению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разра­ботчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

В табл. 3.1 приведены значения основных параметров процедуры передачи кад­ра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.

Таблица 3.1. Параметры уровня MAC Ethernet

3.3.2. Максимальная производительность сети Ethernet

Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается произ­водителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характерис­тика производительности этих устройств. В свою очередь, интересно знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вно­симых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требова­ния к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.

Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, Поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины. Другая характеристика производительности коммуникаци­онного оборудования — бит в секунду — используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах макси­мального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в се­кунду гораздо легче.

Используя параметры, приведенные в табл. 3.1, рассчитаем максимальную про­изводительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных кад­ров (пакетов) минимальной длины в секунду

ПРИМЕЧАНИЕ При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы.;

Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности fremes-per-second, fps и pockets-per-second, pps

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит (рис. 3.5.), поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с.

Рис. 3.5. К расчету пропускной способности протокола Ethernet

Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.

Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой состава 1526 байт или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность с мента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевид что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршру заторы довольно ощутимо снижается.

Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способность бит в секунду обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.

Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости проток Ethernet за счет нескольких факторов:

• служебной информации кадра;

• межкадровых интервалов (IPG);

• ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:

Сп = 14880 х 46 х 8 ⁼ 5,48 Мбит/с.

Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче соб­ственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.

Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:

Сп = 813 х 1500 х 8 - 9,76 Мбит/с,

что весьма близко к номинальной скорости протокола.

Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том слу­чае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Ethernet другие узлы не мешают, что бывает крайне редко.

При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт про­пускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к пре­дельной пропускной способности в 10 Мбит/с.

ВНИМАНИЕ Отношение текущей пропускной способности сети к ее максимальной пропускной способности называ­ется коэффициентом использования сети (network utilizationl. При этом при определении текущей пропус­кной способности принимается во внимание передача по сети любой информации, как пользовательской, так и служебной. Коэффициент является важным показателем для технологий разделяемых сред, так как при случайном характере метода доступа высокое значение коэффициента использования часто говорит о низкой полезной пропускной способности сети (то есть скорости передачи пользовательских данных) -слишком