sit-01a (Доклад на тему Сетевые протоколы), страница 5

При создании технологии Ethernet предполагалось, что она будет функциониро­вать и структуре с общей шиной; на техническом языке это выражает тот факт, что каждая станция "слышит" все проходящие по сети сообщения практически в один и тот же момент времени. Формально такой метод доступа называется CSMA/CD. Упрощнно это означает следующее: в случае, когда две станции обнаруживают, что они ведут передачу одновременно, они прекращают ее и ожидают в течение некото­рого времени перед повторной передачей.

Базовые правила и спецификации для нормального функционирования сети Ethernet несложны, хотя в некоторых реализациях физического уровня уровень сложности возрастает. Несмотря на принципиальную простоту технологии Ethernet, при возникновении проблемы в такой сети часто оказывается весьма сложным по­иск источника возникшей проблемы. Поскольку структура Ethernet использует об­щую шину (которая может быть названа одной распределенной точкой возможных сбоев), сфера возможного сбоя охватывает вес станции сети, принадлежащие сег­менту в коллизионном домене. При использовании повторителей этот сегмент мо­жет включать в себя станции ближайших сегментов, число которых может достигать четырех.

Согласно требованиям спецификации, любая станция в сети Ethernet, которой требуется передать данные, сначала прослушивает канал, для того чтобы убедиться в том, что другие станции не несут в данный момент передачу. Если сигнал в кабеле отсутствует, станция немедленно начинает передачу. Однако поскольку сигналу тре­буется, хотя и небольшое, время для прохождения по кабелю (т.н. задержка распро­странения), а каждый повторитель на маршруте вносит свою долю задержки при пересылке фрейма с одного своего порта на другой, становится воз­можной ситуация, когда более одной станции начинают передачу практически од­новременно. В этом случае возникает коллизия.

Если подсоединенная станция работает в дуплексном режиме, она может пере­сылать и получать данные одновременно, и коллизий не будет. При работе в дуп­лексном режиме меняется также подход к синхронизации и пропадает потребность в канальных интервалах (timeslot) при передаче данных. Дуплексный режим позволяет проектировать более крупные сети, поскольку пропадает ограничение синхрониза­ции, связанное с обнаружением коллизий.

При работе и дуплексном режиме и при отсутствии коллизий отправляющая дан­ные станция передаст 64 бита информации временной синхронизации, которая в целом часто называется преамбулой. Такая информация включает в себя:

• МАС-адреса получателя и отправителя;

• некоторую другую информацию заголовка;

• полезную нагрузку (передаваемые данные);

• контрольную сумму (FCS), используемую для проверки того, что данные не были повреждены в процессе передачи.

Станции, получающие фрейм, вновь вычисляют контрольную сумму FCS для проверки целостности получаемого сообщения и передают неповрежденные данные на более высокий уровень используемого стека протоколов,

В версии Ethernet 10 Мбит/с и более медленных, которые используют асинхронный режим передачи, каждая принимающая станция использует 8 октетов дополнитель­ной информации для синхронизации своего принимающего канала с поступающими данными, а затем отбрасывает эти октеты. Версия 100 Мбит/с и более высокоскоро­стные реализации Ethernet используют синхронный режим, поэтому в действитель­ности информация синхронизации вообще не нужна. Однако для совместимости преамбула и флаг SFD сохранены и в более поздних версиях. Вся информация, сле­дующая за блоком SFD в конце информационного модуля синхронизации, переда­ется на более высокий уровень. При этом заново вычисляется контрольная сумма и сравнивается с контрольной суммой, находящейся в конце полученного фрейма. Если фрейм не поврежден, он должен интерпретироваться и соответствии с прави­лами протокола, указанного в поле длины или типа или протокола LCC-уровня, указанного первыми восемью октетами данных.

В версиях стандарта Ethernet 1998 и 2000 годов в базовую структуру Ethernet было внесено большое количество изменений. Одним из значительных изменений было явное включение в стандарт двухоктетных адресов, хотя неявно они присутствовали и во всех предыдущих версиях. В случае указания в поле спецификации 802.3 дли­на/тип длины было задано точное максимальное значение этого поля (длина/тип), равное 1536 (шестнадцатеричное число 600), в то время как ранее оно предполагалось равным максимальной величине модуля данных MTU, равной 500 (шестнадцатеричное число 5DC).

Для всех скоростей передачи и Ethernet-сети, равных или меньших 1000 Мбит/с, стандарт требует, чтобы время передачи было не меньшим величины канального ин­тервала. Величина канального интервала для Ethernet 10 Мбит/с и 100 Мбит/с со­ставляет 512 битовых интервалов (64 октета). Канальный интервал для Ethernet 1000 Мбит/с составляет 4096 битовых интервалов (512 октетов, включая расшире­ние). Для технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Гбит/с канальный интервал неопределен, поскольку в этой версии не допускается полудуплексный режим работы.

Длительность канального интервала определяется тем, что максимальное время задержки при самом длинном циклическом маршруте по максимальной длине кабе­ля, используемого в самой обширной сетевой структуре, и все задержки распростра­нения и аппаратном обеспечении максимальны; при обнаружении коллизий ис­пользуется 32-битовый сигнал переполнения. Иными словами, канальный интервал просто должен быть больше того времени, которое теоретически требуется фрейму для того, чтобы переместиться от одной самой удаленной точки наибольшего колли­зионного домена Ethernet до другой, самой удаленной, испытать коллизию с другим передаваемым фреймом в самый последний момент, осколком фрейма вернуться к передававшей его станции и быть зарегистрированным как поврежденный в резуль­тате коллизии. Для надежной работы системы необходимо, чтобы первая станция узнавала о произошедшей коллизии до того, как она закончит отправку фрейма наименьшего возможного размера, для. того чтобы сеть Ethernet !000 Мбит/с могла функционировать в полудуплексном режиме при отправке небольших фреймов, бы­ло добавлено поле расширения (Extension), просто для того, чтобы передатчик был занят в течение времени, которое требуется, чтобы фрагмент претерпевшего колли­зию фрейма вернулся назад. Это поле присутствует только в полудуплексных кана­лах 1000 Мбит/с; оно позволяет увеличить длину фрейма минимального размера (64 октета) до той, которая нужна для удовлетворения требований продолжительно­сти канального интервала. Биты расширения отбрасываются принимающей станцией.

Для иллюстрации изложенного выше рассмотрим следующий пример: в сети Ethernet 10 Мбит/с для передачи одного бита на МАС-подуровне требуется 100 наносе­кунд (нc). На скорости 100 Мбит/с для передачи бита требуется 10 нc, а на скорости 1000 Мбит/с — только 1 нc. В табл. 4 приведены значения битовых интервалов для различных версий Ethernet.

Таблица 4. Битовые интервалы для различных версий Ethernet.

В качестве приближенной оценки при вычислении задержки распространения в кабеле UTP принимается значение 8 дюймов (20,3 см) за одну наносекунду. Для ка­беля UTP длиной 100м такая величина означает, что для прохождения сигнала в се­ти 10ВАSЕ-Т расстояния в 100 м требуется менее 5 битовых интервалов (4,92 бито­вого интервала). Для вычисления соответствующего значения при использовании скоростей 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с достаточно лишь передвинуть десятичную точ­ку, что дает значения соответственно 49,2 битовых интервалов для 100 Мбит/с и 492 битовых интервалов — для 100 Мбит/с.

Для того чтобы метод СSМА/СD правильно работал в сети Ethernet, отправляю­щая станция должна узнать о коллизии до того, как она закончила передачу фрейма минимального размера. При скорости передачи данных в 100 Мбит/с синхрониза­ция в системе едва успевает сработать при длине кабеля 100 м. В сети со скоростью передачи 1000 Мбит/с требуются специальные и весьма неэффективные меры, по­скольку отправляющая станция успевает передать весь фрейм минимального разме­ра до того, как первый бит достигнет конца первого стометрового отрезка кабеля UTP. Такой пример ясно показывает, почему в сетях Ethernet со скоростью передачи данных 10 Гбит/с полудуплексный режим не разрешен.

12. Межфреймовый зазор и алгоритм возврата

В табл.5 приведены значения минимального зазора между двумя несталкивающимися пакетами, также называемого межфреймовым зазором — от последнего бита поля FCS первого фрейма до первого бита преамбулы второго фрейма.

Таблица 5. Межфреймовый зазор

В сети Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с после того, как какая-либо станция отправила фрейм, все станции должны ожидать в течение как минимум 96 битовых интервалов (9,6 мкс), до того как они смогут начать передачу своих фреймов. В высокоскоростных версиях Ethernet межфреймовый зазор остается тем же — 96 битовых интервалов. Однако время, соответствующее этому количеству би­товых интервалов, становится меньшим, как показано в табл.5. Такой интервал также называется межфреймовым зазором, межфреймовым интервалом, межпакет­ным зазором и предназначен для того, чтобы медленные станции успели обработать предыдущий фрейм и подготовиться к приему следующего.

Таблица 6. Параметры канального интервала

Однако ожидается, что повторитель регенерирует все 64 бита информации син­хронизации (преамбулу и SFD) в начале каждого фрейма, несмотря на потенциаль­ную возможность потери части начальных битов преамбулы для замедления синхро­низации. Таким образом, вследствие вынужденного введения битов синхронизации некоторое уменьшение межфреймового зазора не только возможно, но и ожидается. Некоторые наборы микросхем Ethernet-интерфейсов чувствительны к уменьшению межфреймового интервала, и если оно происходит, то они могут "пропустить" неко­торые фреймы. При увеличении вычислительной мощности настольного компьютера (передающей станции) он легко может переполнить сегмент Ethernet пересылаемы­ми данными и начать повторную передачу до того, как истечет время межфреймовой задержки. На протяжении нескольких лет некоторые производители сознательно в определенной степени нарушали требования межфреймового зазора для улучшения тестовых результатов при сравнительных испытаниях своих продуктов и продукции конкурентов. По большей части такие хитрости с межфреймовым интервалом не приводили к серьезным проблемам, однако потенциально они возможны.

После того как произошла коллизия и все станции освобождают кабель от сиг­нальной нагрузки (каждая из них ожидает в течение полного интервала), станции, фреймы которых участвовали в коллизии, должны ожидать дополнительное, и в принципе, большее время до попытки повторной передачи столкнувшихся фреймов. Период ожидания намеренно рассчитывается практически случайным образом для того, чтобы две станции не использовали один и тот же промежуток времени перед повторной передачей, в противном случае результатом стали бы новые коллизии. Частично требуемое поведение достигается путем расширения интервала, из кото­рого выбирается случайным образом время повторной передачи при каждой попыт­ке пересылки фрейма. Период ожидания измеряется в величинах, кратных значению канального интервала.

13. Повторная передача фрейма

Время повторной передачи выбирается в соответствии со следующим принципом:

0  r <2^k,

где r — случайная величина, которая кратна канальному интервалу, а k — число попыток повторной передачи (его максимальное значение равно 10). Время возврата определяется по формуле:

r * длительность канального интервала.