Рівень 1 OSI. Інтерфейс і PHY.

PHY - це абревіатура для трансівера. Трансівер може бути окремим пристроєм або бути інтегрованим у мережеву карту або у материнську плату ПК. На цьому рівні виявляються реальні різниці між різними стандартами. Кожен з них має власний документ, яким описується відповідний стандарт:

· Ethernet 10 Мб/с - IEEE 802.3a-t;

· Ethernet 100 Мб/с - IEEE 802.3u;

· Ethernet 1000 Мб/с - IEEE 802.3z.

Рівень 2 OSI.

MAC: IEEE 802.3 CSMA/CD.

Ціле сімейство мереж Ethernet основане на протоколі CSMA/CD.

Синхронізація, впроваджена для передавання та примання, відрізняється для мереж із різними швидкостями, як це показане в табл. 4.1.

Таблиця 4.1. Тривалість біта та часової щілини між пакетами для різних стандартів Ethernet.

	10 Мб/с	100 Мб/с	1000 Мб/с
Тривалість біта (BT)	100 нс	10 нс	1 нс
Щілина між пакетами	96*BT або 9.6 мкс	96*BT або 0.96 мкс	96*BT або 0.096 мкс

LLC. SNAP (SubNetwork Attachment Point - точка під'єднання підмережі). Для SNAP і IEEE 802.2 див. п.п. 4.1.3.2.

Елементи системи Ethernet.

Систему Ethernet складають три основні елементи:

· фізичне середовище, яке застосоване для переносу сигналів Ethernet між комп’ютерами;

· рамка (пакет) Ethernet, яка складається із стандартизованої системи бітів, використаної для переносу даних через систему;

· правила доступу до середовища, вбудованs в кожний інтерфейс Ethernet, що дозволяє багатьом комп’ютерам коректно здобувати доступ до спільних каналів Ethernet.

Локальні мережі Ethernet використовують широкомовну мережеву топологію, тобто сигнал, який передається довільною станцією, досягає до всіх інших станцій в мережі. Будь-який комп’ютер в мережі Ethernet, відомий під назвою станція, оперує незалежно від усіх інших станцій в мережі: центральне управління відсутнє. Всі станції в Ethernet під’єднані до спільної сигнальної системи, яка називається середовище. Хоч усі локальні мережі в основній смузі частот передають у півдуплексному режимі, одночасно вести передачу може тільки одна робоча станція. Сигнали Ethernet передаються послідовно, біт за бітом через спільне сигнальне середовище до під’єднаної до нього робочої станції. Щоб вислати дані, станція спочатку прослухує канал, і коли канал простоює, станція висилає свої дані, упаковані у вигляді рамки або пакету Ethernet. Рамки Ethernet і стандарту IEEE 802.3 незначно відрізняються між собою.

Після передавання кожної рамки, всі станції в мережі мусять змагатися за нагоду передати наступну рамку. Цим досягається коректність доступу до мережевого зв'язкового каналу, так що жодна станція не може блокувати інші станції. Доступ до спільного каналі визначений механізмом управління доступом до середовища (Medium Access Control - MAC), вбудованим в інтерфейс Ethernet, розміщений у кожній станції. Механізм управління доступом до середовища оснований на системі, яка називається множинний доступ з розпізнаванням носія і виявленням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD).

Кожна станція в мережі має унікальну адресу і повідомлення може бути адресоване таким чином:

· Адресація конкретній станції: повідомлення адресується тільки одній станції в мережі.

· Багатоадресна адресація: повідомлення адресується групі станцій через пов'язання їх унікальних адрес з логічним ім’ям (наприклад, файлові сервери, прінт-сервери).

· Широкомовна адресація: повідомлення адресується всім станціям.

Адреси і рамки Ethernet.

Основою системи Ethernet є пакет або рамка Ethernet, яка застосовується для передавання даних між комп’ютерами. Рамка складається із системи бітів, організованих в окремі поля. Загальний вигляд типової рамки Ethernet показаний на рис. 4.1.

Адреса (від кого)

Адреса (кому)

Тип пакету

Дані/Повідомлення

Контрольна сума (CRC)

Рис. 4.1. Загальний вигляд рамки Ethernet.

Адресація.

Перші два поля в рамці переносять 48-бітові (6-октетні) адреси, які називають адресою призначення та адресою джерела. IEEE керує призначенням цих адрес шляхом адміністрування порцією адресного поля. IEEE досягає цього, забезпечуючи 24-бітовий (4-октетний) ідентифікатор, який називають організаційно-унікальними ідентифікаторами (Organizationally Unique Identifiers - OUI), оскільки унікальний 24-бітовий ідентифікатор приписаний кожній організації, яка хоче випускати інтерфейс Ethernet. Організація, в свою чергу, створює 48-бітову адресу з використанням приписаного OUI як перших 24 бітів адреси. Наприклад, адреси всіх карт фірми 3Com починаються трьома байтами 02 60 8C (в шістнадцятковому форматі). Ця 48-бітова адреса відома як фізична адреса, адреса обладнання або MAC-адреса.

Унікальна 48-бітова адреса звичайно надається кожній карті мережевого інтерфейсу Ethernet при його виготовленні, що значно спрощує встановлення мережі та оперування в ній. Надані адреси дозволяють уникнути можливих ускладнень в адмініструванні адресами для різних груп, які використовують мережу.

Коли деякий пакет Ethernet висланий у спільний сигнальний канал, всі інтерфейси Ethernet перш за все розглядають 48-бітове поле, яке містить адресу призначення. Інтерфейси порівнюють адресу призначення пакету із своєю власною адресою. Інтерфейс Ethernet із тією ж адресою, що й адреса призначення в пакеті, може читати отриманий пакет і передати її мережевому програмному забезпеченню цього комп’ютера. Всі інші мережеві інтерфейси припиняють читання пакету, коли встановлюють, що адреса призначення не відповідає їх власній адресі.

Багатоадресність дозволяє групі станцій прийняти окремий пакет Ethernet. Мережеве програмне забезпечення може встановити інтерфейс Ethernet станцій для прослуховування багатьох визначених адрес. Це можливо зробити для системи станцій, приписаних до багатоадресної групи, для якої дана особлива адреса. Окремий пакет, висланий за адресою, приписаною групі, може бути прийнятий всіма станціями в групі.

Особливий випадок багатоадресності відомий як широкомовна адреса, якою є 48-бітова адреса із усіма бітами, рівними одиниці (тобто адреса рівна FF FF FF FF у шістнадцятковій формі запису). Всі інтерфейси Ethernet, які бачать пакет з цією адресою призначення, можуть читати пакет і передати його мережевому програмному забезпеченню комп’ютера.

Структури рамок Ethernet.

Відомі чотири основні види рамок Ethernet: рамка в стандарті Ethernet II (DIX), у стандарті 802.2, у стандарті 802.3 та у стандарті Ethernet-SNAP (SubNetwork Access Point). Хоч відмінності між рамками в різних стандартах незначні, ці види в загальному випадку несумісні між собою і вимагають спеціального настроювання, яке може здійснюватися адміністратором мережі або автоматично.

Границі байтів (октетів) è

Преамбула/початковий обмежувач рамки (8)

Адреса призначення (6)

­

Адреса джерела (6)

Поле рамки

Тип рамки (2)

¯

Дані

­

(46...1500)

. . .

Поле даних

46... 1500

Доповнення (якщо потрібно)

¯

Контрольна послідовність (4)

Поле рамки

× 4

Повна довжина рамки

64... 1518

Рис. 4.2. Рамка в стандарті Ethernet II.

Рамка в стандарті Ethernet II. Стандарт Ethernet II є попередником стандарту 802.3. Цей тип рамки, опрацьований DIX, забезпечує той самий метод доступу CSMA/CD, що й 802.3 (рис.4.2). Щоб дозволити всім станціям у мережі зсинхронізувати свої тактові генератори трансіверів для забезпечення передавальній станції можливості виявлення сигналів інших станцій, застосовується 7-октетна преамбула і 1-байтовий початковий обмежувач рамки (рис. 4.3). 7-байтовапреамбула і 1-байтовий початковий обмежувач гарантують, що станція, що передає, може виявити інше передавання (або сигнал глушіння, який сигналізує про колізію) незалежно від того, як далеко в сегменті розташована інша станція, що створила колізію. Преамбулу/початковий обмежувач звичайно розглядають як частину апаратно-програмного забезпечення передавання даних через кабельну систему, а не як частину власне рамки.

Преамбула/початковий обмежувач рамки (8)

 

Преамбула (7) 10101010...

Початковий обмежувач (1) 10101011

Рис. 4.3. Преамбула/початковий обмежувач рамки.

Безпосередньо за преамбулою та початковим обмежувачем розташовані 6-октетні поля адрес станції-призначення і станції-джерела та 2-октетне поле типу рамки. Разом ці три поля утворюють заголовок рамки Ethernet II. При передаванні кожного байта адресного поля біти передаються справа наліво, тобто першим передається наймолодший (перший справа) біт. Для адреси призначення перший біт, що передається (I/G), вказує, чи адреса відноситься до конкретної станції, чи є багатоадресною. Якщо перший байт адреси призначення непарний, то то рамка призначена групі станцій, а не одній унікальній фізичній адресі. Спеціальним випадком багатоадресності є широкомовна адреса, для якої всі біти адресного поля встановлені в "1". Як вказано вище, для індивідуальної адреси перші три байти ідентифікують виробника мережевої карти, а останні три - конкретну мережеву карту. Адреса призначення ідентифікує безпосереднього приймача в мережі, а не обов'язково остаточного приймача. Структура поля адреси призначення має такий вигляд:

Біти					...
Значення	I/G	S	S	S	S	S	S

Перший біт (I/G - individual/group) може приймати такі значення: 0 - одноадресна рамка, 1 - багато- або загальноадресна (широкомовна) рамка. Решта бітів першого байта та решта байтів цього поля (S) вказують адресу групи вузлів (перші три байти) і локальну адресу в групі (другі три байти). Для загальноадресних пакетів усі біти рівні 1. Адреса джерела ідентифікує вузол, який передав пакет. Найстарший біт першого байта (I/G) завжди рівний 0.

Поле Тип рамки ідентифікуєпротокол вищого рівня, застосований для створення пакету, інкапсульованого в рамку Ethernet II. Це можуть бути протоколи TCP/IP, XNS, AppleTalk тощо. Приклади можливих значень поля Тип рамки (в шістнадцятковому форматі) наведені в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2. Коди протоколів вищого рівня. Значення Тип протоколу   XNS   IP   ARP   RARP 809B AppleTalk 80F3 AppleTalk ARP   IPX/SPX NetWare

Наступне поле містить дані, поміщені в рамку. Це поле може мати довжину до 1500 октетів і включає як заголовок, так і дані протоколу більш високого рівня. Повна довжина рамки Ethernet II лежить в межах від 64 до 1518 октетів. Проте це не означає, що найменша можлива довжина даних становить 64 байти; якщо дані коротші, то вводиться поле Доповнення, заповнене, наприклад, символами проміжку, які додаються для доведення довжини поля даних до 64 октетів.

Останнім полем є Контрольна послідовність рамки (Frame Check Sequence - FCS) - лишок циклічної контрольної суми (Cyclic Redundancy Checksum - CRC)для виявлення помилок при передаванні. Значення лишку циклічної контрольної суми обчислюється для всьго вмісту рамки (без преамбули/початкового обмежувача) з використанням алгоритму CRC-32. Станція, яка прийняла рамку, здіснює власне обчислення лишку циклічної контрольної суми за тим самим алгоритмом і порівнює отримане значення із вмістом вказаного поля. Якщо результати відрізняються, то пакет вважається помилковим і відкидається.

Рамка в стандарті 802.3. Існує два варіанти рамок в стандарті 802.3: формат 802.3 і "сирий" формат 802.3 (802.3 Raw Format). Відмінність між ними полягає в тому, що специфікація IEEE 802.3 визначає фізичний формат рамок CSMA/CD, додаючи до початку поля даних заголовок LLC згідно із стандартом 802.2, використовуючи для цього 3 октети на початку поля даних:

Октети поля даних
Значення	Адреса DSAP	Адреса SSAP	Поле управління

DSAP - це точка доступу до послуг призначення (Destination Service Access Point); поле має такий вигляд (I/G=0 для індивідуальної адреси, I/G=1 для групової адреси і D - біти значення адреси DSAP):

I/G

D

D

D

D

D

D

D

SSAP - це точка доступу до послуг джерела (Source Service Access Point), поле має такий вигляд (C/R означає команду в полі управління, а C/R=1 - відклик на неї; S - біти адреси SSAP):

C/R

S

S

S

S

S

S

S

Деякі найбільш поширені значення SAP (Service Access Point), визначені IEEE:

Значення	Тип послуг
	IBM SNA
	IP
	3Com
AA	SNAP (SubNet Access Point)
E0	Novell
F0	NetBIOS
F4	LAN Manager FE-CLNS

Поле управління визначає вид послуг від Мережевого рівня (Рівень 3):

· режим передавання без встановлення сполучення і без підтвердження (connectionless mode), визначений як операція типу 1;

· режим передаванням із встановленням сполучення (connection mode), визначений як операція типу 2.

Початкові відомості про ці режими наведені в п.п. 1.3.2. Операція типу 1 кодується в полі управління як 03, що означає нечисловий формат в стандарті 802.2.

Найновіший тип протоколу - SNAP (SubNetwork Attachment Point ~ точка під'єднання до підмережі) доповнює заголовок LLC 5-байтовим полем ідентифікації протоколу. Для буль-якої рамки 802.3 LLC+SNAP поля DSAP і SSAP дорівнюють AA і в полі управління встановлене значення 03:

LLC	SNAP
AA	AA
	3 октети OUI	2 октети поля TYPE

OUI (Organization Unique Identifier) ідентифікує організацію, а поле TYPE визначає тип протоколу, який помістив інформацію в поле даних (див. табл. 4.2). Для даного прикладу це протокол IP (код рівний 0800).

"Сирий" формат рамки 802.3 застосовується лише в мережах Novell NetWare. Замість заголовка LLC NetWare додає власну інформацію про протокол вищого рівня. Перші два байти поля даних містять інформацію заголовка протоколу IPX і завжди рівні FF FF. Ці два байти уможливлюють розпізнання того, що рамка "сирого" 802.3 містить інкапсульовану інформацію від протоколу IPX. Слід відзначити, що IEEE не рекомендує формат "сирого" 802.3, використаного Novell; він рекомендує тільки рамки 802.3, які містять заголовки 802.2 і 802.2 SNAP.

Основна різниця між рамками в стандартах Ethernet II і 802.3 полягає у використанні двобайтового поля після адреси джерела (див. рис. 4.2 і 4.4). Якщо Ethernet II визначає це поле як Тип рамки, то 802.3 використовує його як поле Довжина даних. Хоч видається, що це робить рамки Ethernet II та 802.3 несумісними в рамках одної кабельної системи, насправді це не так. Сумісність можлива внаслідок того, що для рамок 802.3 існує обмеження довжини рамки до 1518 байтів (октетів), а всі рамки типу Ethernet II мають значення цього поля, більші від 1518 (у десятковому форматі) або 05 FE (у шістнадцятковому форматі). Отже, якщо рамка має значення 05 FE або менше у 13-му та 14-му байтах, то вона розглядається як рамка 802.3.

Друга різниця між рамками Ethernet II і 802.3 видна в полях адреси призначення і адреси джерела. Тоді як Ethernet II використовує один біт для індикації багатоадресності, 802.3 застосовує для цього два біти. Структура поля адреси призначення в стандарті 802.3 має такий вигляд:

Біти					...
Значення	I/G	U/L	S	S	S	S	S

Перший біт (I/G - individual/group) приймає такі значення: 0 - одноадресна рамка, 1 - багато- або широкомовна рамка. Другий біт -це ознака U/L (universal/local) унівесальної (0) або локальної (1) адреси. Решта байтів цього поля (S) вказують адресу групи вузлів (перші три байти) і локальну адресу в групі (другі три байти). Другий біт рідко застосовується в мережах Ethernet. Його використання в основному пов'язане з операціями мостів при об'єднанні мереж з різними методами доступу (наприклад, Ethernet і Token Ring).

Границі байтів (октетів) è
Преамбула/початковий обмежувач рамки (8)
Адреса призначення (6)										­
Адреса джерела (6)									Поля рамки
Довжина даних (2)										¯
Дані										­
(46...1500)	. . .								Поле даних	46... 1500
Доповнення										¯
Циклічна контрольна сума рамки (CRC) (4)									Поле рамки	× 4
Повна довжина рамки, байтів	64... 1518

Рис. 4.4. Рамка в стандарті IEEE 802.3.

Протокол CSMA/CD.

Загальні відомості.

Протоколи, в яких станції прослухують носій (тобто розпізнають наявність передавання) і діють відповідно до його присутності або відсутності, називають протоколами з розпізнаванням носія. Це означає, що принципово можна розрізнити сигнали для логічних "1", "0" і відсутність сигналів у каналі зв'язку. В термінології Ethernet, будь-який інтерфейс мусить очікувати до моменту, коли в каналі немає сигналу, і тільки тоді починати передавання. Якщо в цей час передає інший інтерфейс, то в каналі буде наявний сигнал, який називають носієм. Всі інші інтерфейси мусять чекати, доки наявність носія припиниться, перш ніж пробувати передавати, і цей процес називають розпізнаванням носія.

Всі інтерфейси Ethernet рівні у своїй можливості вислати пакет у мережу, тобто жоден не має вищого пріорітету. Це називають множинним доступом.

Оскільки сигнал потребує певного часу, щоб переміститися з одного кінця мережі до іншого, то перший біт переданого пакету не осягає всіх частин мережі одночасно. Отже, можливо, що два інтерфейси, прослуховуючи мережу, встановлюють, що вона простоює і одночасно починають передавання своїх пакетів. Якщо це стається, то система Ethernet має шлях для виявлення колізії, зупинки передавання і повторного передавання пакетів. Це називають виявленням колізії. При виявленні колізії кожна із станцій повинні негайно припинити передавання, перш ніж завершиться висилання їх рамок. Негайне припинення висилання фрагментів рамок зберігає час та ширину смуги.

Протокол CSMA/CD, як і багато інших протоколів LAN, використовує концептуальну модель, зображену на рис. 4.5. У точці, позначеній як t₀,, станція завершує передавання рамки. Будь-яка інша станція, яка у цей момент має рамку, готову до передавання, може спробувати це зробити. Якщо дві або більше станції одночасно вирішать передавати, то виникне колізія. Кожна станція виявить колізію, перерве своє передавання, вичекає протягом випадкового інтервалу часу і спробує передавати знову за умови, що в цьому часовому проміжку жодна інша станція вже не почала передавати. Отже, ця модель для CSMA/CD містить періоди змагання за доступ до каналу та передавання, при чому періоди простою з'являються тоді, коли всі станції не передають.