Алгоритмическое обеспечение. Алгоритмическое и программное обеспечение информационных систем. Организация системы обработки информации, состав и функциональная схема системы. Распределенные информационные системы в мехатронике. Рис.1.8 Последовательность

Fast Ethernet - спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Структура Fast Ethernet

Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рис 2.8

Рис 2.8 Система Fast Ethernet

Подуровень управления логической связью (LLC)

В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:

· Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.

· Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.

· Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.

Заголовок LLC состоит из трех полей:

· DSAP (1 байт) Destination Service Access Point - точка доступа к сервису системы - получателя указывает, в каком месте буферов памяти системы-получателя следует разместить данные пакета.

· SSAP (1 байт) Source Service Access Point - точка доступа к сервису системы - источника выполняет такие же функции для источника данных, размещенных в пакете, на передающей системе.

· Поле управления (1 или 2 байта) указывает на тип сервиса, необходимого для данных в PDU и функций пакета. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле управления может быть длиной 1 или 2 байта.

В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.

Заголовок SNAP

Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).

Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.

Код организации. Идентификатор организации или производителя -- это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.

Локальный код. Локальный код -- это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.

Подуровень согласования

Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.

Управление доступом к среде (MAC)

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media AccessController -- MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:

· определяет, когда узел может передать пакет;

· пересылает кадры уровню PHY для преобразования в пакеты и передачи в среду;

· получает кадры из уровня PHY и передает обрабатывающему их программному обеспечению (протоколам и приложениям).

Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).

CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.

Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.

Очевидно, что выполнение условия (I) зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети, скорости распространения сигнала в кабеле, задержек в коммуникационных устройствах. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина кадра составляет 46 байт, что вместе со служебными полями (включая и преамбулу) составляет 72 байта или 576 бит. Следовательно, в 10-мегабитной Ethernet время передачи кадра минимальной длины составляет 57.6 мкс. Расстояние, которое может пройти за это время сигнал, зависит от типа кабеля. Для толстого коаксиального кабеля оно равно примерно
13280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по кабелю дважды, расстояние между двумя узлами не должно превышать 6640 м. В стандарте Ethernet максимальный размер домена коллизий определен равным 2500 м, с учетом других, более строгих ограничений (затухания, искажений сигнала и временных задержек, вносимых повторителями).

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах (например, в Fast Ethernet), максимальный размер домена коллизий уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet он составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet он был бы ограничен 25 м, если бы разработчики этого стандарта не приняли мер по увеличению минимального размера пакета до 520 байт.

Адресация в сети Ethernet

Каждый узел в сети Ethernet имеет уникальный аппаратный физический адрес сетевой платы. Схема адресации Ethernet определяется изготовителем платы в виде 6-байтового 16-ричного адреса.

Тип аппаратного физического адреса узла определяется значением его первого байта:

· 00h – уникальный адрес конкретного сетевого адаптера, следующие два байта адреса определяют идентификатор производителя, а остальные три байта – серийный номер адаптера;

· 01h – групповой адрес, остальные 5 байтов адреса определяют идентификатор группы;

· 02h – ряд моделей адаптеров позволяют задавать адрес адаптера произвольно. Признаком «ручного» задания адреса является значение первого байта 02h, остальные 5 байтов должны определять уникальный адрес;

· FFFFFFFFFFFFh – широковещательный адрес.

Реализация физического и канального уровней в сети Ethernet

Физический уровень в сети Ethernet включает подуровень физического присоединения к среде передачи (Physical Medium Attachment ) и собственно разъем.

Канальный уровень в Ethernet разбивается на два подуровня:

· подуровень доступа к среде MAC (Media Access Control – контроль доступа к среде );

· подуровень управления логическим звеном LLC (Logical Link Control – контроль логической связи ).

Кодирование сигнала на физическом уровне. Манчестерский код

В технологиях Ethernet и Token Ring применяется метод кодирования электрического сигнала, называемый манчестерским кодом . В этом коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, т. е. фронт импульса (рис.15).

Рис.15. Кодирование сигнала манчестерским кодом

Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта/битового интервала: единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому уровню, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить согласующий служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд.

Т. к. за время такта сигнал изменяется по крайней мере один раз, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Кроме того, он не имеет постоянной составляющей, так что его можно применять в каналах связи с реактивной нагрузкой, например, в каналах с трансформаторной связью, что важно для обеспечения гальванической развязки.

В локальных сетях, использующих манчестерское кодирование, для служебных целей широко используются также два запрещенных для данного кода сигнала, когда вместо обязательного изменения уровня сигнала в середине тактового интервала уровень сигнала остается неизменным и низким (запрещенный сигнал J) или неизменным и высоким (запрещенный сигнал K).

Подуровень MAC канального уровня

Подуровень управления доступом к среде MAC отвечает за:

· формирование кадра Ethernet;

· получение доступа к разделяемой среде передачи данных;

· отправку кадра с использованием физического уровня получателю.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель с повторителями), в любой момент времени находится в одном из трех состояний: свободна, занята, коллизия.

Подуровень MAC каждого узла сети получает от физического уровня информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна, и у MAC – подуровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не возникла, то кадр считается переданным.

Если же за время передачи кадра была зарегистрирована коллизия, то его передача прекращается. После фиксации коллизии MAC – подуровень делает случайную паузу, а затем вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы уменьшает вероятность попытки одновременного захвата разделяемой среды несколькими узлами при следующей передаче. Максимальное число попыток передачи одного кадра равняется 16, после чего MAC – подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу следующего кадра, поступившего с LLC – подуровня.

MAC – подуровень приемника, который получает биты кадра от своего физического уровня, проверяет поле адреса получателя в кадре, и если этот адрес совпадает с собственным адресом приемника, то приемник копирует кадр в свой буфер . Затем он проверяет, не содержит ли кадр специфических ошибок: по контрольной сумме , по максимально и минимально допустимому размеру кадра, по неверно найденным границам байт. Если кадр корректен, то его поле данных передается на LLC – подуровень, если нет, то кадр отбрасывается.

Подуровень LLC канального уровня

Подуровень LLC обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами вышележащих уровней, например, с IPX или IP. Протоколы сетевого уровня передают через межуровневый интерфейс данные для протокола LLC свой пакет, например, пакет IP (стек TCP/IP), IPX (стек Novell) или NetBEUI (стек Microsoft/IBM), адресную информацию об узле назначения, а также требования к качеству транспортных услуг, которое подуровень LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает полученный пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется необходимыми служебными полями. Далее через другой межуровневый интерфейс протокол LLC передает кадр соответствующему протоколу подуровня MAC, который, в свою очередь, упаковывает кадр LLC в свой кадр, например, Ethernet.

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

· LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения;

· LLC2 – процедура с установлением соединения и с подтверждением;

· LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Этот набор процедур является общим для всех методов доступа к среде, определенных стандартами 802.3-802.5, а также стандартами FDDI и стандартом 802.12 технологии 100VG-AnyLAN.

Процедура LLC1 дает пользователям средства для передачи данных с минимальными издержками, обеспечивая 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 необходимости дублировать их на уровне LLC.

Процедура LLC2 дает пользователям возможность установить логическое соединение между отправителем и получателем и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока кадров в рамках установленного соединения. Протокол LLC2 во многом аналогичен протоколам семейства HDLC (High- level Data Link Control Procedure ), которые применяются в глобальных сетях для обеспечения надежной передачи кадров на зашумленных линиях связи. Протокол LLC2 работает в режиме скользящего окна.

В некоторых случаях, например, при использовании сетей в режиме реального времени, когда временные издержки на установление логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение о корректности приема данных необходимо, применяется дополнительная процедура LLC3 .

Использование этих трех режимов работы подуровня LLC зависит от стратегии разработчиков конкретного стека протоколов. Например, в стеке TCP/IP уровень LLC всегда работает в режиме LLC1, выполняя простую работу по извлечению из кадра и демультиплексированию пакетов различных протоколов – IP, ARP, RARP и др. Аналогично используется подуровень LLC стеком протоколов IPX/SPX. А вот стек Microsoft/IBM, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEUI, часто использует режим LLC2. Это происходит в тех случаях, когда сам протокол NetBIOS/NetBEUI должен работать в режиме с восстановлением потерянных и искаженных данных. В этой ситуации соответствующая работа перепоручается уровню LLC2. Если же протокол NetBIOS/NetBEUI работает в дейтаграмном режиме, то протокол LLC работает в режиме LLC1.

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

Все типы кадров подуровня LLC имеют единый формат, представленный на рис.16:

Рис.16. Кадр подуровня LLC сети Ethernet

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями Флаг , имеющими значение. Флаги используются на уровне MAC для определения границ кадра LLC. В соответствии с многоуровневой структурой протоколов IEEE 802, кадр LLC вкладывается в кадр подуровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д., при этом начальный и конечный флаги LLC отбрасываются.

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

· Адрес точки входа службы назначения DSAP (Destination Service Access Point);

· Адрес точки входа службы источника SSAP (Source Service Access Point);

· Управляющее поле (Control).

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

Адресные поля DSAP и SSAP занимают по одному байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого уровня, и используются для демультиплексирования принятых кадров. Значения адресов SAP приписываются протоколам в соответствии со стандартом IEEE 803.2. Так, для протокола IP значение SAP равно 06h, для протокола IPX – E0h, для протокола NetBIOS – F0h. Например, если в кадре LLC значения DSAP и SSAP содержат код E0h, то обмен кадрами осуществляется между двумя IPX-модулями, выполняющимися в разных узлах.

В некоторых случаях адреса DSAP и SSAP различаются. Это возможно лишь в тех случаях, когда служба имеет несколько адресов SAP, что может быть использовано протоколом узла отправителя в специальных целях, например, для уведомления узла-получателя о переходе протокола отправителя в некоторый специфический режим работы. Этим свойством протокола LLC часто пользуется протокол NetBEUI.

Поле управления (1 или 2 байта) имеет более сложную структуру при работе в режиме LLC2 и достаточно простую структуру при работе в режиме LLC1 (рис.17).

По своему назначению все типы кадров подуровня LLC, называемые в стандарте 803.2 блоками данных PDU (Protocol Data Unit ), подразделяются на три типа – информационные, управляющие и ненумерованные. Тип кадра задается битами 1 и 2 поля Control : 0x – информационный кадр, 10 – управляющий кадр, 11 – ненумерованный кадр.

DIV_ADBLOCK230">

В режиме LLC2 используются все три типа кадров. В этом режиме кадры делятся на команды и ответы на эти команды. В этом режиме протокол LLC аналогичен протоколу HDLC.

Бит P/ F (Poll/ Final ) имеет следующее значение: в командах он называется Poll и требует, чтобы на команду был дан ответ, а в ответах он называется Final и помечает последний кадр ответа.

Поле S используется для кодирования контрольных функций в управляющих/супервизорных кадрах. Супервизорные кадры кодируются следующим образом:

· Приемник готов RR (Receiver Ready , ss=00);

· Приемник не готов RNR (Receiver Not Ready , ss=01);

· Отказ REJ (Reject , ss=10);

· Выборочный отказ SREJ (Selected Reject , ss=11).

Порядок применения управляющих кадров описан ниже.

Поле M ненумерованных кадров определяет коды команд, передаваемых посредством ненумерованных кадров, например:

· Установить расширенный сбалансированный асинхронный режим (SABME ). Эта команда является запросом на установление соединения. Расширенный режим означает использование двухбайтных полей управления для кадров остальных двух типов;

· Ненумерованное подтверждение (UA ) - служит для подтверждения установления или разрыва соединения;

· Разрыв соединения (DISC ) - запрос на разрыв соединения и др.

Установление соединения начинается посредством передачи в канал команды SAMBE с одновременным включением таймера Ts. Если удаленной станцией эта команда принята без ошибок, и она имеет возможность установить соединение и войти в рабочий режим обмена информацией, то удаленная станция передает ответ UA . При этом на удаленной станции переменные состояния передачи V(S) и приема V(R) обнуляются, и соединение считается установленным. Если же удаленная станция не может войти в рабочий режим обмена информацией, то она передает ответ DM (Disconnect Mode - режим разъединения ), а соединение считается не установленным. При отказе в соединении станция - инициатор может попытаться установить соединение повторно в любой момент времени.

После приема корректного ответа UA инициатор соединения, выключив таймер Ts, переводит свои переменные состояния передачи V(S) и приема V(R) в 0 и также полагает, что соединение установлено. В большинстве случаев для различения ответов DM , которые могут поступить на станцию – инициатор в процессе установления соединения, команда SAMBE передается с битом P=1. В этом случае ответом на нее может быть только кадр с установленным битом F.

Если команда SAMBE и/или ответы UA , DM были приняты с ошибками, то они не учитываются станциями, в результате на станции – инициаторе завершится таймер Ts, что является указанием на необходимость повторной передачи команды SAMBE . Указанная последовательность действий продолжается до тех пор, пока не будет правильно принят ответ UA или DM , или же пока не закончится выделенный на установление соединения лимит попыток. В последнем случае об исчерпании лимита информируется верхний уровень.

Процесс разъединения осуществляется передачей в канал команды DISC (Disconnect – разъединить ) с установленным битом P. Удаленная станция, приняв правильно команду DISC , передает ответ UA и переходит в режим разъединения. Станция - инициатор разъединения, приняв ответ UA , выключает таймер Ts и также переходит в режим разъединения.

Процедура передачи I-кадра от станции - отправителя к станции - получателю состоит в следующем.

В информационных I-кадрах имеется поле N(S) для указания номера передаваемого кадра. При работе протокола LLC2 используется скользящее окно размером в 127 кадров, поэтому для нумерации передаваемых кадров значение поля N(S) циклически изменяется в диапазоне от 0 до 127. Соответственно, поле N(R) в I - и S-кадрах определяет номер запрашиваемого или подтверждаемого кадра (процедура LLC2 поддерживает полудуплексный режим передачи).

Информация, поступающая на подуровень LLC с верхнего уровня в виде пакета, размещается в поле Данные формируемого I-кадра, которому присваивается порядковый номер передачи N(S) = V(S). Сформированный I-кадр затем передается на подуровень MAC для дальнейшей обработки, а значение переменной состояния передачи V(S) увеличивается на 1 (по модулю 128).

Удаленная станция, получившая адресуемый ей I-кадр, определяет, можно ли его выдать получателю (более высокому уровню). Для этой цели на приемной станции производится сравнение номера N(S) принятого I-кадра со значением переменной состояния приема V(R) данной станции, которая хранит значение, на единицу большее номера последнего кадра, принятого от передатчика. В случае совпадения этих номеров и незанятости верхнего уровня содержимое поля данных принятого I-кадра выдается верхнему уровню, а значение переменной состояния приема V(R) увеличивается на 1 (по модулю 128). Если при этом на принимающей станции есть свой I-кадр для передачи отправителю, то в нем посылается номер N(R) = V(R). Если же такой кадр отсутствует, то для подтверждения приема передается S-кадр RR с тем же номером N(R). При этом ответный кадр должен быть послан не позднее, чем истечет таймер Tr, определяющий максимальный промежуток времени, в течение которого станция - получатель должна подтвердить прием I-кадра.

Если при N(S) = V(R) верхний уровень занят, а приемная станция не может поместить поступающий I-кадр в очередь своего буфера (например, из-за недостатка памяти), то станция-получатель должна послать ответ RNR с номером N(R). Станция, пославшая I-кадр, получив такой ответ, приостанавливает передачу новых I-кадров (и повторную передачу неподтвержденных кадров) до тех пор, пока ею не будет принят кадр RR или REJ, либо пока не истечет время, контролируемое таймером Ts станции – отправителя.

Если же приемник принимает кадр с номером N(S), не равным V(R), то этот кадр отбрасывается и посылается отрицательная квитанция Отказ (REJ ) с номером N(R)=V(R). При приеме отрицательной квитанции передатчик обязан повторить передачу кадра с номером V(R), а также все кадры с большими номерами, которые он уже успел послать, пользуясь механизмом окна.

Видим, что команда RR с номером N(R) используется как положительная квитанция, когда поток данных от приемника к передатчику отсутствует, а команда RNR – для замедления потока информационных кадров, поступающих на приемник. Это бывает необходимо, если приемник не успевает обрабатывать поток кадров, присылаемых ему с большой скоростью за счет механизма окна.

Таким образом, с помощью супервизорных кадров RR и RNR 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 приемник не закончил прием предыдущего.

Типы кадров сети Ethernet

Кадр Ethernet отвечает за перемещение по сети данных верхнего уровня. Физический кадр Ethernet имеет заголовок и хвостовик, между которыми заключены фактические данные. Именно в таком виде информация передается из одного узла Ethernet в другой.

В настоящее время в среде Ethernet на канальном уровне используется четыре различных формата кадров, что связано с длительной историей развития технологии Ethernet, включающей период ее развития до принятия стандарта IEEE 802.3, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся. Каждый тип кадра отличается от других типов кадра способом кодирования и декодирования пакетов, курсирующих между сетевыми картами различных узлов в сети Ethernet.

В 1980 г. консорциум фирм DEC, Intel и Xerox (DIX) представил на рассмотрение комитета IEEE 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта (содержащей и описание формата кадра), но комитет 802.3 принял стандарт, который в некоторых деталях отличался от предложений DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet.

Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сети Ethernet.

И, наконец, четвертый формат кадра появился в результате деятельности комитета 802.3 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.

Один и тот же формат кадра может иметь различные названия, поэтому ниже для каждого из четырех форматов приведено несколько наиболее употребительных названий:

· стандартный тип кадра Ethernet II (Ethernet DIX);

· Ethernet SNAP.

Различные типы кадров имеют некоторые общие поля, включая адреса отправителя и получателя пакета, поле данных и контрольное поле.

Формат кадра в оригинальной системе Ethernet

Тип кадра Ethernet II, представляющий собой кадр исходной Ethernet DIX, имеет следующий формат:

Поле Преамбула используется для синхронизации пакета на входе и выходе сетевых плат. Она всегда содержит код в ее первых 7 байтах и код в последнем байте. Необходимость в преамбуле обусловлена следующими причинами. В сетях Ethernet в отсутствии передач по сети вообще не передаются сигналы. Чтобы в начале передачи очередного кадра все станции сети вошли в битовую синхронизацию, передающая станция предваряет содержимое кадра последовательностью бит преамбулы. Войдя в битовую синхронизацию, приемник исследует входной поток на побитной основе, пока не обнаружит символ начала кадра, выполняющий в данном случае роль символа STX. Конец кадра в сети Ethernet определяется с помощью поля длины кадра в его заголовке или по моменту исчезновения несущей в кабеле.

Поле Назначение содержит физический адрес узла сети, которому предназначено сообщение.

Поле Источник идентифицирует узел, отправивший пакет.

Поле Тип идентифицирует тип протокола более высокого уровня, используемого для передачи или приема (аналогично полям SAP протокола LLC). Это поле было введено фирмой Xerox для внутреннего употребления и никак не интерпретируется в Ethernet. Данное поле позволяет множеству протоколов более высокого уровня разделять сеть, не интересуясь внутренним содержанием пакетов.

Поле Данные содержит собственно сообщение.

Поле CRC-сумма содержит контрольную сумму, вычисленную с помощью циклического избыточного кода CRC-32.

Если не учитывать преамбулу кадра, то стандартное сообщение Ethernet II имеет длину от 01.01.01 байт.

Формат кадра Ethernet RAW 802.3

Существенное различие между типами кадра стандартной Ethernet II и Ethernet RAW 802.3 состоит лишь в замене поля типа на поле длины:

Здесь поле Длина содержит информацию о длине данных в пакете. Если длина поля данных меньше 46 байт, то используется поле Набивка для доведения длины пакета до минимальной длины. При нормальной длине поля данных поле набивки отсутствует.

Поскольку стандартные кадры Ethernet II и RAW 802.3 имеют различную структуру, сетевой и верхний уровни обрабатывают эти типы кадров по-разному.

Формат кадра стандарта Ethernet IEEE 802.3/LLC

Между стандартным типом кадра Ethernet IEEE 802.3/LLC и нестандартным типом Ethernet RAW 802.3 существует только одно реальное различие. Нестандартный тип RAW 802.3 характеризуется отсутствием заголовка 802.2 LLC в поле данных (отсюда название RAW – "ободранный", "лишенный заголовка 802.2"). В стандартном типе кадра IEEE 802.3 заголовок 802.2 находится внутри поля данных.

Кадр 802.3 является кадром MAC-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами 0111110 начала и конца кадра LLC. Т. к. заголовок кадра LLC имеет размер 3 (в режиме LLC1) или 4 (в режиме LLC2) байта, то максимальный размер поля данных в кадре 802.3 уменьшается до 1497 или 1496 байт соответственно.

Формат кадра Ethernet SNAP

Для устранения различий в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадра Ethernet, комитетом 802.2 был разработан формат кадра Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol ).

Кадр Ethernet SNAP представляет собой расширение кадра Ethernet 802.3/LLC за счет введения дополнительного 5-байтового заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей OUI и Type .

Поле Type состоит из двух байт и повторяет по формату и назначению поле Type кадра Ethernet II. Поле OUI (Originally Unique Identifier ) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Type . Коды протоколов для технологий 802 контролирует IEEE, которая имеет идентификатор OUI , равный 000000.

Т. к. SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP последнего записывается код 0xAA, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров.

Заголовок SNAP является дополнением к заголовку LLC, поэтому он допустим не только в кадрах Ethernet, но и в кадрах других технологий 802. Например, протокол IP всегда использует структуру заголовков LLC/SNAP при инкапсуляции в кадры всех протоколов локальных сетей: FDDI, Token Ring, 100VG-AnyLAN, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Сеть Token Ring

Метод доступа к передающей среде

Сеть Token Ring (маркерное кольцо), разработанная IBM и Texas Instruments, определена в качестве стандарта IEEE 802.5 в 1985 г. Она является значительным вкладом компании IBM в сетевую индустрию. Хотя эта архитектура гораздо дороже, чем Ethernet, она обладает гораздо большей производительностью, а диагностика отказов в ней намного легче, особенно в сильно загруженной сети.

Логически сеть Token Ring работает как кольцо с передачей маркера, физически же она представляет собой конфигурацию типа звезды. Каждый узел, принявший пакет данных от соседа по кольцу, восстанавливает уровни сигналов и передает пакет следующему своему соседу.

Двумя логическими направлениями перемещения по кольцу являются направления вверх по потоку (upstream ) или вниз по потоку (downstream ). Маркер и данные всегда перемещаются в кольце вниз по потоку. Станция, которая передает маркер, называется ближайшим активным соседом NAUN (Nearest Active Stream Neighbor ) по отношению к следующей станции вниз по потоку, которая принимает маркер.

В сети от станции к станции циркулирует специальный 3-байтовый кадр - так называемый маркер. Когда узел получает маркер, он имеет право послать в кольцо кадр данных. Для этого узел – отправитель привязывает к маркеру данные, формируя информационный пакет, который и передается в сеть.

Посланный кадр распространяется от адаптера к адаптеру вниз по потоку, пока не найдет своего адресата , который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные нашли своего получателя и приняты (с искажением/без искажения), а затем ретранслирует полученный и измененный пакет дальше по кольцу сети. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

В конце концов, модифицированный кадр, продолжая путь по кольцу, возвращается к узлу - отправителю. Узел – отправитель, распознав свой кадр по адресу станции-отправителя, удостоверяется в том, что тот был передан без ошибок, очищает маркер от любой привязанной к нему информации (stripping - раздевание ), а затем освобождает маркер, передавая его своему соседу вниз по потоку.

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (Token Holding Time ), по истечении которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера несколько кадров. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кб, а для сетей 16 Мбит/с – 16 Кб. При скорости 4 Мбит/с за время 10 мс можно передать 5 Кб, а при скорости 16 Мбит/с – соответственно 20 Кб. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом, чтобы станции заведомо успевала передать хотя бы один кадр.

Формирование кадров на подуровнях МАС и LLC

В 1980 году в институте IEЕЕ 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 . Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 4.5.

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей также нашла своё отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

Управления логической связью (Logical Link Control, LLC);

Управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот подуровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в распоряжение той или иной станции сети в соответствии с определенным методом доступа. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий подуровень - подуровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различной степенью качества транспортных услуг. В современных ЛС получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные методы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Рисунок 4.5 - Структура стандартов IEEE 802.x

Подуровень LLC осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи, отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности и реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через подуровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На подуровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием
или отсутствием на этом подуровне процедуры восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого подуровня.

Протоколы подуровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол подуровня MAC может применяться с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем . Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по назначению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов может быть меньше, равно или больше числа переданных битов. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обработать ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень понимает, что при передаче кадра произошла ошибка, и принимает меры (например, игнорирует испорченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке).

Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой более сложную задачу, чем это может показаться на первый взгляд. Один из способов разбиения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных параметров при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, наоборот, будут добавлены новые интервалы.

Поскольку для отметки начала и конца кадра полагаться на временные параметры слишком рискованно, были разработаны другие методы маркировки границ кадров:

Подсчет количества символов;

Использование сигнальных байтов с символьным заполнением;

Использование флаговых последовательностей с битовым заполнением;

Использование запрещенных сигналов физического уровня.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления синхронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В прошлом стартовые и стоповые байты отличались друг от друга, но в последнее время большинство протоколов перешло на использование в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым. Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распознает конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что закончился один кадр и начался другой.

Протокол подуровня управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) в стандарте 802.11 отличается от аналогичного протокола в проводной сети Ethernet. В Ethernet используется механизм множественного доступа к общему каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Станция может начать передачу, если канал свободен. Если шумовой всплеск не приходит обратно в течение определённого времени, то кадр доставлен корректно. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т.е. работать на приём. В беспроводных сетях такой способ не годится. Существуют в беспроводной сети проблемы скрытой и засвеченной станции. В результате не получается прослушать эфир и осуществить передачу только тогда, когда он никем не занят. Эти проблемы рассмотрим на участках сети, приведенных на рис. 24.3 и 24.4. Мощность передатчиков такова, что радиус действия ограничен только соседними станциями, т.е. A и B, C и B, C и D.

Рассмотрим проблему скрытой станции (рис. 24.3). Станция А передает сообщение станции В. Станция C передаёт сообщение станции B. Если станция С опрашивает канал, то она не будет слышать станцию А, находящуюся вне ее зоны действия. В результате станция С не слышит, что станция В уже занята и начнет передавать сообщение ей. В результате это сообщение исказит сообщение, принимаемое В от А.

Рис. 24.3. Проблема скрытой станции

Рассмотрим проблему засвеченной станции (рис. 24.4). Станция В передает станции А сообщение. Станция С при опросе канала слышит выполняемую передачу и может ошибочно предположить, что она не в состоянии передавать данные станции D. В действительности такая передача создала бы только помехи в зоне от станции В до станции С, где в данный момент не ведется прием.

Рис. 24.4. Проблема засвеченной станции

Для устранения этих проблем в стандарте 802.11 для режима Ad Hoc без точки доступа принят режим CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Сети Ad Hoc должны поддерживать этот протокол. На рис. 24.5 и 24.6 показан пример использования режима CSMA/CA, основанного на протоколе MACAW. Станция D входит в зону действия B, но не входит в зону действия А. Станция С находится в зоне действия А, а также возможно в зоне действия В.

Рис. 24.5. Расположение станций примера использования протокола MACAW

На рис. 24.6. показан принцип работы протокола MACAW для предотвращения коллизий. Станция А посылает станции В кадр RTS запроса разрешения на передачу. Рассмотрим процесс с точки зрения станции А. Если В может принять данные, она отправляет в А подтверждение готовности приема – кадр CTS. После приема CTS станция А запускает таймер АСК и начинает передачу данных. В случае приема неискаженного сообщения станция В передает в А кадр о конце передачи данных АСК.

Рис. 24.6. Принцип работы протокола MACAW для предотвращения коллизий

Рассмотрим процесс с точки зрения станций C и D. Станция С находится в зоне действия А, поэтому она также принимает кадр RTS, в котором указано, сколько времени займет передача данных из А в В. В течение этого времени С считает, что канал занят, и она не должна передавать данные. Индикацией такого состояния является состояние NAV. Станция D не охвачена зоной действия А, а поэтому кадр RTS не поступает к ней. Зато кадр CTS, посланный станцией В поступает в D, которая также выставляет состояние NAV. В результате D считает канал занятым и не передает в течение определенного времени данные в адрес станции В.

Приведем основные поля кадра 802.11:

· поле управления кадром. Указывает тип кадра (информационный, контрольный, управления). Примером информационного кадра являются данные или сообщение о переходе станции в режим работы с пониженным энергопотреблением. Примером контрольного кадра являются приведенные выше кадры RTS, CTS, ACK. Кадры управления используются для управления связью станций и точек доступа (например, кадры аутентификации пользователя или отмены аутентификации);

· поле идентификатор длительности. (например, приведенное выше поле NAV);

· поле адресов. Возможны следующие типы адресов: отправителя, получателя, исходящей ячейки точки доступа, входящей ячейки точки доступа;

· поле данные. Длина данных кадра может достигать 2312 байт. Коэффициент ошибок в канале беспроводных локальных вычислительных сетях БЛВС значительно хуже, чем в проводных ЛВС. Для повышения производительности БЛВС применяется разбиение кадров на фрагменты, которые содержат собственную контрольно-проверочную сумму. Фрагментация повышает производительность путем принудительной повторной пересылки коротких фрагментов, в которых произошла ошибка, а не кадров целиком;

· поле номер позволяет нумеровать фрагменты. Из 16 бит поля 12 идентифицируют кадр, а 4 – фрагмент;

· поле контрольно проверочная комбинация циклического кода.

«АстроСофт» имеет многолетний опыт разработки алгоритмов для программного обеспечения в различных прикладных областях. Опираясь на передовые достижения алгоритмики и компетенции наших сотрудников в области математики и физики, мы предлагаем наиболее эффективные решения сложных математических задач для бизнеса и науки.

• Цифровая обработка сигналов и изображений
• Имитационное моделирование
• Математическая оптимизация
• Статистическая обработка данных
• Машинное обучение

Мы берем на себя решение сложных прикладных математических задач, стоящих перед вашей организацией. В состав нашей команды входят высококвалифицированные математики-программисты, из них 15 – кандидаты наук.

С нами вы сможете сосредоточиться на своих ключевых задачах, снизить риски и сократить сроки разработки.

Мы предлагаем услуги по разработке решений в области Digital Signal Processing (DSP), или цифровой обработки сигналов .

Наши решения используются для фильтрации, улучшения отношения сигнал/шум, подавления помех, выделения сигнала на фоне помех и шумов, корреляционного анализа.

Мы совершенствуем методы, создаем и дорабатываем алгоритмы, которые применяются в системах связи, акустики, передачи данных, автоматического управления, и радиолокационных комплексах в таких областях, как телекоммуникации, авионика, судо- и машиностроение, электроника, промышленность и др.

: создание программного обеспечения по обработке и кодированию голосового сигнала для сетей мобильной связи.

Также мы обладаем компетенциями компьютерной обработки изображений (Image Processing) . Мы участвуем в проектах внедрения машинного зрения в системы промышленного Интернета вещей на производственных предприятиях, а также разрабатываем алгоритмические комплексы обработки и распознавания образов для систем видеонаблюдения на различных объектах.

Пример успешно завершенного проекта : решение, которое позволяет системе видеонаблюдения непрерывно отслеживать движущиеся объекты через зоны обзора нескольких камер:

• интеграция нескольких HD-камер,
• бесшовное соединение в панораму,
• задержка менее четырех кадров,
• точная синхронизация камер,
• сведение изображения с соседних камер с точностью до пикселя,
• коррекция геометрических и цветовых искажений.

Мы используем имитационное моделирование, когда невозможно или нецелесообразно проведение экспериментов на реальной системе из-за высокой стоимости, трудоемкости и длительного ожидания результатов.

По спецификациям клиентов мы разрабатываем модели разнообразных объектов и процессов, которые позволяют:

• проанализировать поведение объекта во времени,
• осуществить раннее прототипирование разработки для ее отладки на модели,
• проверить сценарии, которые могут быть опасны для дорогостоящего оборудования,
• сократить использование ресурса оборудования,
• снизить уровень неопределенности и риски.

Мы разрабатываем математические модели для поиска оптимальных решений при заданных ограничениях.

Багодаря нашему опыту в области математической оптимизации и линейного программирования, мы поможем разработать, протестировать и выбрать надежные и эффективные механизмы оптимизации.

Пример успешно завершенного проекта : модель оптимизации работы мерчендайзеров группы компаний.

Мы разрабатываем алгоритмы и математические модели, которые позволяют анализировать большие объемы данных - оценивать скрытые параметры в данных, их достоверность, осуществлять прогнозирование.

Наши решения на основе спектрального и стохастического анализа могут быть применены в промышленности, авионике, радиолокации, геофизике, медицине, экономике.

Примеры успешно завершенных проектов : алгоритмы спектрального анализа состава сырья для технологического процесса на цементном заводе, траекторное сопровождения БПЛА.

С помощью алгоритмов машинного обучения мы решаем задачи классификации, распознавания изображений и речи, прогнозирования. На основе искусственных нейронных сетей мы создаем решения по борьбе с БПЛА.

Пример успешно завершенного проекта : разработка программно-аппаратного комплекса обнаружения, классификации и сопровождения БПЛА.

24.09.2018

Проблемы графов не имеют срока давности. Теория графов используется в компьютерных сетях, применяется в геоинформационных системах, при маршрутизации сигналов в цифровых сетях и т.д. Даже социальные сети – это воплощение графов, где каждый пользователь (или его страничка) - это вершина графа, а подписчики и друзья – его ребра. Именно поэтому нас заинтересовала статья о решении одной из проблем в области графов, перевод которой мы вам предлагаем.