Локальная сеть Ethernet в жилом микрорайоне

среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Этот

интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а

за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем

физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался

одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем

физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между MAC-

подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast

Ethernet три - FX, TX и T4.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу

подуровня MAC с интерфейсом MII.

1.1.1.1 Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно

Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной

форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три

последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и

передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень

PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации

бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в

параллельную форму и передавать подуровню MAC.

Структура физического уровня 100Base-FX представлена на рисунке 1.3.

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по

многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на

основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов,

использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в

стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими

волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

[pic]

Рисунок 1.3 - Физический уровень PHY FX

Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому

общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным

названием PHY FX/TX.

Метод кодирования 4B/5B

10 Мб/с версии Ethernet используют манчестерское кодирование для

представления данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4B/5B

определен в стандарте FDDI, и он без изменений перенесен в спецификацию PHY

FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых

символами) представляются 5 битами. Использование избыточного бита

позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти

бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды

обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра

сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе

пропускания кабеля. Однако прямое использование потенциальных кодов для

передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой

самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной

последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не

изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита.

При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х

битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой

любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с

чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация

приемника с передатчиком. Так как исходные биты MAC-подуровня должны

передаваться со скоростью 100Мб/c, то наличие одного избыточного бита

вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/c,

то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.

Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования

порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде

4В/5B используются в служебных целях.

Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях

FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и

при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации 10Base-T,

когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием на ней

импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды

используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует

между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах

между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое

состояние линии.

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет

отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с

PHY FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется

комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK), а после завершения

кадра перед первым символом Idle вставляется символ T (рисунок 1.4).

[pic]

Рисунок 1.4 - Непрерывный поток данных спецификаций PHY FX/TX

После преобразования 4-битовых порций MAC-кодов в 5-битовые порции

PHY их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов

в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют

для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3

соответственно. Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи

сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (спецификация TP-

PMD).

Рассмотрим метод NRZI - Non Return to Zero Invert to ones - метод

без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет

собой модификацию простого потенциального метода кодирования, называемого

Non Return to Zero (NRZ), когда для представления 1 и 0 используются

потенциалы двух уровней. В методе NRZI также используется два уровня

потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего

бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования

предыдущего бита (так называемое, дифференциальное кодирование). Если

текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой

инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же

текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

Из описания метода NRZI видно, что для обеспечения частых изменений

сигнала, а значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно

исключить из кодов слишком длинные последовательности нулей. Коды 4B/5B

построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом

сочетании бит в исходной информации. Основное преимущество NRZI кодирования

по сравнению с NRZ кодированием в более надежном распознавании передаваемых

1 и 0 на линии в условиях помех.

1.1.1.2 Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара

Спецификация PHY T4 была разработана для того, чтобы можно было

использовать для высокоскоростного Ethernet'а имеющуюся проводку на витой

паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того,

чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет

одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.

Структура физического уровня PHY T4 изображена на рисунке 1.5.

Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование

8B/6T. Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами

(ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная

цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем

передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и

последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания

несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по

каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому общая скорость

протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. В то же время из-за принятого

способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего

25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

При соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X

повторителя, пара 1-2 используется для передачи данных от порта MDI к порту

MDI-X, пара 3-6 всегда используется для приема данных портом MDI от порта

MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются и для

приема, и для передачи, в зависимости от потребности.

[pic]

Рисунок 1.5 - Физический уровень PHY T4

1.1.2 Протоколы TCP/IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет

протокол межсетевого взаимодействия - Internet Protocol (IP). К основным

функциям протокола IP относятся:

- перенос между сетями различных типов адресной информации в

унифицированной форме,

- сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным

максимальным значением длины пакета.

Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет

следующие поля:

- Поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас

повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6,

называемую также IPng (IP next generation).

- Поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP занимает 4 бита и указывает

значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок

имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема

служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования

дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS).

- Поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает

приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого

поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь

значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации).

Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и

обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса

содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута.

Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться

для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации

пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки.

- Поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую

длину пакета с учетом заголовка и поля данных.

- Поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и

используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации

исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого

поля.

- Поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность

фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает

маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли

данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета

(установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит

промежуточный фрагмент).

- Поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно

используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от

начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации.

Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между

сетями с различными величинами максимальной длины пакета.

- Поле Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает

предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время

жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи

средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении

каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица

вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла

секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется.

- Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт

и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например,

это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP).

- Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она

рассчитывается по всему заголовку.

- Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения

(DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую

структуру.

- Поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется

обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей,

каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В

этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов,

регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы

безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть

произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт

для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля,

определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче

по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной

длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры

Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов,

умещающиеся в поле данных кадра Ethernet.

В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control

Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он

обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами

путем установления логического соединения.

Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация,

поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов

более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как

неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами

TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая

непрерывная часть данных, называемая сегментом.

В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с

запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В

этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера

сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных

говорят, что они передаются вне потока - out of band.

Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же

размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном

размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается

таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда

целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить

максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы

выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для

того, чтобы он вместился в IP-пакет.

Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы

избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный

размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание

максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального

уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен

превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.

В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными

процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным

образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21

закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения

пользуются произвольно выбранными локальными номерами.

Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом.

Для организации надежной передачи данных предусматривается установление

логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках

соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема

для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная

передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в

обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов

обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из

оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер

порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.

При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она

посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active

open).

После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора

посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.

Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных

(passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.

Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на

приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также

передает запрос к противоположной стороне.

Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию.

Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках

данного соединения.

Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка

и блока данных.

Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-

отправитель;

Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9