Базовые сетевые технологии

    Помимо  идентификации отправителя и  получателя, каждый кадр, передаваемый по Ethernetу, содержит преамбулу, поле типа, поле данных и циклическую контрольную сумму(CRC) или ЦКС. Преамбула состоит из 64 битовой последовательности 1 и 0 и служит для облегчения синхронизации при приеме. 32-битовая ЦКС помогает интерфейсу обнаружить ошибки передачи: отправитель вычисляет ЦКС как функцию от данных, передаваемых в кадре, а получатель заново вычисляет ЦКС для того, чтобы быть уверенным в том, что пакет принят без ошибок.  

    Поле  типа кадра содержит 16-битовое целое  число, которое идентифицирует тип данных, передаваемых в кадре. С точки зрения Интернета поле типа кадра очень важно, так как это означает, что кадры Ethernetа являются самоидентифицирующимися. Когда кадр приходит на данную машину, операционная система использует тип кадра, чтобы определить, какой программный модуль обработки протоколов должен обработать это кадр. Главные преимущества самоидентифицирующихся кадров заключаются в том, что они позволяют одновременно использовать несколько протоколов на одной машине и в том, что они позволяют нескольким протоколам смешиваться при работе в одной физической сети. Например, кто-то может иметь прикладную программу, использующую Интернетовские протоколы, а кто-то использовать локальный экспериментальный протокол. Операционная система будет определять, кому послать приходящие пакеты, основываясь на значении поля типа кадра. Мы увидим, что протоколы TCP/IP используют самоидентифицирующиеся кадры Ethernetа для выделения себя среди других протоколов.

                   адрес      адрес     тип

      преамбула получателя отправителя  кадра    данные       ЦКС  

      ---------------------------------------------------------------

     | 64 бита |  48 бит  |   48 бит  |16 бит|368-12000 бит| 32 бита|

      --------------------------------------------------------------- 

    Рисунок 2.5 Формат кадра(пакета) в том виде, в котором он передается по Ethernetу. Размеры полей не соотносятся  друг с другом.  

    2.4.7 Мосты(bridges) и их  важность 

    Мы  уже рассматривали использование Ethernet-овских повторителей как одну из технологий расширения физического Ethernetа до нескольких физических кабельных сегментов. Хотя повторители как способ расширения были популярны много лет тому назад, многие теперь используют мосты для соединения сегментов. В отличие от повторителя, который повторяет электрические сигналы, мост повторяет пакеты. Фактически мост - это быстрый компьютер с двумя интерфейсами Ethernetа и фиксированной программой. Мост работает с обоими интерфейсами Ethernetа в режиме "без разбора", то есть интерфейсы перехватывают все корректные пакеты, появляющиеся в Ethernetах, к которым они присоединены, и предоставляют их процессору моста. Если мост соединяет два Ethernetа, Е1 и Е2, то программное обеспечение берет каждый пакет, полученный из Е1 и передает его в Е2, и наоборот.  

    Мосты являются более передовыми по отношению  к повторителям, так как они  не повторяют шум, ошибки, или испорченные  кадры; должны быть получены полностью  корректные кадры, чтобы они были продублированы. Более того, интерфейсы мостов следуют правилам CSMA/CD Ethernetа, поэтому коллизии и паузы при распространении в одном кабеле(сегменте) остаются изолированными от тех же явлений в других сегментах. В результате мостами может быть соединено почти любое число Ethernetов. Отметим, что мосты скрывают детали соединения: набор сегментов, связанных мостами, функционирует как один Ethernet. Компьютер может связываться с другими машинами через мосты, используя такие же аппаратные сигналы, как те, которыми он пользуется для связи в своем сегменте.  

    Большинство мостов не передают кадры с одного кабеля на другой: они принимают решения о том, какие кадры нужно передавать на другой сегмент, а какие нет. Такие мосты называются адаптивными, или обучающимися мостами. Адаптивный мост состоит из компьютера с двумя интерфейсами Ethernetа. Программное обеспечение адаптивного моста хранит два списка адресов, по списку для каждого интерфейса. Когда кадр приходит из Ethernetа Е1, адаптивный мост добавляет 48-битовый Ethernet-овский адрес отправителя в список, связанный с Е1. Аналогично, когда кадр приходит из Е2, мост добавляет адрес отправителя к списку, связанному с Е2. Поэтому, по прошествии некоторого времени адаптивный мост узнает, какие машины находятся в Е1, а какие в Е2.  

    После записи адреса отправителя кадра, адаптивный мост использует адрес получателя, чтобы определить, нужно ли передавать кадр в другой сегмент. Если список адресов показывает, что получатель находится в Ethernete, из которого прибыл кадр, то мост не передает этот кадр в другой сегмент. Если же получателя нет в списке адресов(т.е. получатель - это широковещательный или групповой адрес, или мост еще не знает местонахождение получателя), мост отправляет кадр в другой Ethernet.  

    Преимущества  адаптивных мостов очевидны. Так как  мост использует адреса, выделяемые из обычного траффика, он полностью автономен - человеку не требуется задавать мосту конкретные адреса. Так как мост изолирует траффик, когда передача не нужна, он может улучшить производительность перегруженной сети (заметим, что мосты работают исключительно хорошо при разделении загрузки по районам (сегментам) в среде рабочих станций, в которой группы рабочих станций большую часть своего траффика адресуют файл-серверу).  

    Обобщим вышеизложенное:  

    Адаптивный Ethernet-овский мост соединяет два сегмента Ethernetа, передавая кадры из одного в другой. Он использует адреса отправителей для того, чтобы узнать, в каком сегменте Ethernetа находится та или иная машина, и применяет полученную информацию к адресам получателя, чтобы не передавать пакеты в другой сегмент, когда это не нужно.  

    С точки зрения TCP/IP, Ethernetы, связанные  мостом, просто являются другой формой физического сетевого соединения. Важным моментом является то, что:  

    Так как соединение с помощью физических проводов, обеспечиваемое мостами и повторителями, прозрачно для машин, использующих Ethernet, мы будем представлять Ethernetы, связанные мостами, как одну физическую сетевую систему.  

    Большинство коммерческих мостов являются более  сложными и более надежными, чем  это следует из нашего описания. При включении питания они ищут другие мосты и приобретают информацию о топологии сети. Они используют алгоритм распределенного дерева распространения(spanning-tree) при принятии решения о том, куда передавать кадры. В частности, мосты решают, как распространять широковещательные пакеты так, чтобы по каждому кабелю передавалась только одна копия широковещательного кадра. Без такого алгоритма для Ethernetов и мостов, связанные в виде кольца, такие пакеты привели бы к катастрофическим результатам, так как пришлось бы постоянно передавать широковещательные пакеты в обе стороны.  

    2.5 Технология Token Ring ProNET 

    ProNET-10 - это имя коммерческого сетевого  продукта для ЛВС, который является  интересной альтернативой Ethernetу.  Основанный на сетевых исследованиях в университетах, и созданный Proteon Incorporated, proNET-10 состоит из пассивной кабельной системы, которая соединяет компьютеры. Как и Ethernet, низкоскоростная версия работает со скоростью 10 Мбит/с, ограничена короткими расстояниями, и требует, чтобы присоединяемые компьютеры имели активные интерфейсы с ЭВМ.  

    В отличие от Ethernetа или других аналогичных  шинных технологий, proNET-10 требует, чтобы  компьютеры были соединены кабелями в одиночное кольцо, и использует технологию доступа, известную как передача маркера. Системы с передачей маркера отличает от других то, что в них доступ осуществляется путем последовательного использования всеми машинами сети. В любой момент времени ровно одна машина имеет маркер, который дает право этой машине передать пакет. После посылки этого пакета, машина передает маркер следующей машине по порядку. Поэтому, когда ни одна из машин ничего не посылает, они непрерывно передают маркер по кольцу; когда им всем нужно послать пакеты, они ждут своей очереди, чтобы послать их.  

    Хотя  передача маркера может быть использована для шинных топологий типа Ethernetа, именно кольцевые топологии, такие, как та, что используется proNET-10, делают передачу маркера особенно простой, так как физические соединения определяют последовательность, в которой передается маркер. Главным является то, что данная машина не знает, кому она передает маркер. Мы вскоре увидим, почему циркуляция маркера, основанная на физическом порядке, важна, и как она может быть использована, чтобы сделать кольцо более надежным.  

    Чтобы понимать, как работает кольцо, нам  нужно рассмотреть оборудование. Физически кольцевая сеть не является непрерывным кольцом - она состоит  из соединений точка-точка между  интерфейсами компьютеров сети. В  каждом компьютере один провод передает входящие сигналы, а другой - выходящие сигналы. Концептуально каждый интерфейс компьютера работает в одном из трех режимов: режиме копирования, режиме передачи и режиме восстановления. Как показывает рисунок 2.6, первые два случая соответствуют нормальному режиму работы и отличаются наличием маркера у машины (в одном случае он есть, а в другом нет).

                              ___

             ----------------|<--|--------------| | |___| | | I1 | _|_ _|_ <---|-| | I2 | A | I4 |_V_| |_|_| | | | I3 | | _____ | |---------------|-| |-|------------| |_|_|_| | | V A  

    Рисунок 2.6 Сеть с маркерным кольцом, в  которой интерфейс I3 находится в  режиме передачи, владеет маркером и посылает пакет интерфейсу I2. Другие интерфейсы находятся в режиме копирования. Отправитель всегда получает обратно посланные им биты; другие интерфейсы выделяют копию пакета для компьютера, к которому они присоединены только в том случае, когда совпадают адреса.  

    Если  интерфейс не владеет маркером, он работает в режиме копирования, читая  биты из входящего провода и копируя их в выходящий кабель. В режиме копирования интерфейс также просматривает поток данных, чтобы найти пакеты, адресованные его машине, и помещает копию таких пакетов в память машины. Если же интерфейс владеет маркером, он работает в режиме передачи, посылая пакет по выходящему кабелю и проверяя его корректность при чтении пакета из входящего провода(после прохождения кольца пакет вернется по входящему проводу).  

    Важно понимать, что ProNET-10 - это технология ЛВС, которая имеет маленькие паузы при передаче. Созданное на основе экранированного медного кабеля, это кольцо может охватывать самое большее несколько смежных зданий. При использовании оптоволоконного кабеля кольцо может охватывать большие расстояния(например, целый университетский городок). В любом случае задержки распространения являются маленькими. Как следствие, сигналы могут распространяться по всему кольцу и возвращаться отправителю так быстро, что начало пакета успевает вернуться тогда, когда отправитель еще продолжает передавать. Преимущество коротких пауз при распространении заключается в том, что станция может быстро определить, не разорвано ли кольцо. Она может также определить, не появились ли ошибки в пакете из-за электрических помех или неисправного оборудования где-либо в кольце. Мы рассмотрим обе эти особенности ниже.  

    2.5.1 Адресация ProNET-10 

    В отличие от Ethernetа, оборудование интерфейса proNET-10 не имеет фиксированных адресов, назначаемых производителем. Вместо этого каждый интерфейс поставляется с набором из 8 переключателей, которые позволяют системному администратору выбрать один из 255 возможных адресов(поэтому каждая сеть proNET-10 ограничена 255 машинами). Этот адрес должен быть выбран и установлен, используя физические переключатели на плате. Он не может быть быстро изменен, как только интерфейс установлен, а также не может быть изменен программно. Тем не менее, тот факт, что адрес является устанавливаемым, имеет два важных преимущества. Во-первых, это значит, что адреса proNET-10 могут иметь много меньший размер, чем адреса Ethernetа(8 бит вместо 48 бит). В-вторых, это значит:  

    Так как пользователи могут изменить адреса proNET-10 при установке плат, сетевой аппаратный адрес машины не нужно менять при замене оборудования интерфейса компьютера.  

    Конечно, то, что аппаратные адреса устанавливаемые, имеет и свой недостаток. В отличие  от адресов Ethernetа, схема устанавливаемых  адресов, используемая proNET-10, допускает  конфликты адресов. Человек, устанавливающему адреса, должен быть уверен, что каждому интерфейсу в данном кольце назначен уникальный адрес от 0 до 254. Адрес из всех единиц(255) зарезервирован для широковещательного траффика. Как мы увидим позднее, при использовании proNET-10 с TCP/IP, тем, кто устанавливает адреса, следует избегать назначать компьютеру адрес ноль.  

    2.5.2 Формат кадра proNET-10 

    Рисунок 2.7 показывает формат кадра proNET-10. Длина  полей указана в битах, так  как сеть является биториентированной и не всегда выравнивает данные на границу байта. Оборудование сети требует, чтобы поле данных было целым числом октетов, облегчая передачу данных в память компьютера. Как и в Ethernetе, оборудование работает только с некоторыми полями в кадре; программное обеспечение работает с остальными полями и использует их. С точки зрения разработчика объединенной сети, это различие является несущественным.

      начало адрес  адрес     тип     данные     конец  четн. отказ

      сообщ. получ. отправ.  кадра    кадра      сообщ.

     ---------------------------------------------------------------

     |10 бит| 8 бит|8 бит  |24 бита|0-16352 бита|9 бит |1 бит|1 бит|

     ---------------------------------------------------------------