Ethernet — это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов.
Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии, в которую входят сегодня также Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet.
В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, который появился в конце 70-х годов как стандарт трех компаний — Digital, Intel и Xerox. В начале 80-х Ethernet был стандартизован рабочей группой IEEE 802.3, и с тех пор он является международным стандартом. Технология Ethernet была первой технологией, которая предложила использовать разделяемую среду для доступа к сети.
Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, то есть разделяют передающую среду во времени. Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии LAN, в значительно большей степени определяющей ее облик, чем метод кодирования сигналов или формат кадра.
В технологии Ethernet в качестве алгоритма разделения среды применяется метод случайного доступа. И хотя его трудно назвать совершенным — при росте нагрузки полезная пропускная способность сети резко падает, — он благодаря своей простоте послужил основной причиной успеха технологии Ethernet.
Популярность стандарта Ethernet 10 Мбит/с послужила мощным стимулом его развития. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, в 1998 — Gigabit Ethernet, а в 2002 году — 10G Ethernet. Каждый из новых стандартов превышал скорость своего предшественника в 10 раз, образуя впечатляющую иерархию скоростей 10 Мбит/с — 100 Мбит/с — 1000 Мбит/с — 10 Гбит/с.
В этой главе мы подробно рассмотрим классическую технологию Ethernet 10 Мбит/с, большинство механизмов которой используется и на более высоких скоростях.
Список ключевых слов: общая среда передачи данных, стандартные топологии физических связей, метод случайного доступа, коллизия, слот, детерминированный доступ, передача токена, алгоритмы опроса, транспортировка кадров, дейтаграммный полудуплексный режим передачи, интерфейсные функции LLC, точка входа службы приемника, точка входа службы источника, доставка кадров с заданной степенью надежности, услуги LLC1, LLC2 иLLC3, стандарты межсетевого взаимодействия.
Технология Ethernet принадлежит к семейству технологий локальных сетей, в которое входят также такие технологии, как Token Ring, FDDI, IEEE 802.11 и lOOVG-AnyLAN1. Несмотря на определенную специфику, все эти технологии имеют единое назначение — создание локальных сетей. Поэтому полезно начать изучение Ethernet с рассмотрения общих принципов, использованных при разработке технологий LAN.
Основная цель, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов, заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания.
Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры — появившиеся и быстро распространявшиеся тогда мини-компьютеры стоимостью в 10 000-20 000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети. Задача связи локальных сетей в глобальные не была первоочередной, поэтому практически все технологии локальных сетей ее игнорировали.
Этот метод связи компьютеров впервые был опробован при создании радиосети ALOHA Гавайского университета в начале 70-х под руководством Нормана Абрамсона (Norman Abramson). Радиоканал определенного диапазона частот естественным образом является общей средой для всех передатчиков, использующих частоты этого диапазона для кодирования данных.
Сеть ALOHA работала по методу случайного доступа, когда каждый узел мог начать передачу пакета в любой момент времени. Если после этого он не дожидался подтверждения приема в течение определенного тайм-аута, он посылал этот пакет снова. Общим был радиоканал с несущей частотой 400 МГц и полосой 40 кГц, что обеспечивало передачу данных со скоростью 9600 бит/с.
Немного позже Роберт Меткалф (R. Metcalfe) повторил идею разделяемой среды уже для проводного варианта технологии LAN. Непрерывный сегмент коаксиального кабеля стал аналогом общей радиосреды. Все компьютеры присоединялись к этому сегменту кабеля по схеме монтажного ИЛИ, поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал, как и при использовании радиоволн.
В технологиях Token Ring и FDDI тот факт, что компьютеры используют разделяемую среду, не так очевиден, как в случае Ethernet. Физическая топология этих сетей — кольцо, каждый узел соединяется кабелем с двумя соседними узлами. Однако эти отрезки кабеля также являются разделяемыми, так как в каждый момент времени только один компьютер может использовать кольцо для передачи своих пакетов.
Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов сети. Действительно, поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах. Транзитных узлов также нет. Соответственно, отпадает необходимость в сложных процедурах управления потоком и борьбы с перегрузками.
Основной недостаток разделяемой среды — плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети. Здесь применимо положение теории очередей, которое мы изучали в главе 7: как только коэффициент использования общей среды превышает определенный порог, очереди к среде начинают расти нелинейно, и сеть становится практически неработоспособной. Значение порога зависит от метода доступа. Так, в сетях ALOHA это значение является крайне низким — всего около 18 %, в сетях Ethernet — около 30 %, а в сетях Token Ring и FDDI оно выросло до 60-70 %.
Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI — физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN — звезда (общая шина), кольцо и дерево.
Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN. Сетевой и транспортный протоколы нужны узлу локальной сети для того, чтобы взаимодействовать с компьютерами, подключенными к другим локальным сетям, путь к которым проходит, возможно, через глобальные сети.
Если бы нужно было обеспечить взаимодействие компьютеров только в пределах одной локальной сети, то прикладные протоколы могли бы работать непосредственно над канальным уровнем. Но так как такое ограниченное взаимодействие не устраивает пользователей, то каждый компьютер локальной сети поддерживает полный стек протоколов, так что над канальным уровнем работает один из сетевых протоколов, например IP или IPX.
Кроме того, установка на конечных узлах LAN полных стеков протоколов, а не только физического и канального, необходима для обеспечения совместимости приложений — приложения должны корректно исполняться в любой сетевой среде, во всяком случае, не зависеть от того, является сеть односегментной локальной сетью или крупной локальной сетью, построенной на маршрутизаторах.
Канальный уровень локальных сетей делится на два подуровня, которые часто также называют уровнями:
- уровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC);
- уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим модулем операционной системы, а функции уровня MAC реализуются программно аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером.
Основными функциями уровня MAC являются:
- обеспечение доступа к разделяемой среде;
- передача кадров между конечными узлами, используя функции и устройства физического уровня.
Метод случайного доступа является децентрализованным, он не требует наличия в сети специального узла, который играл бы роль арбитра, регулирующего доступ к среде. Результатом этого является высокая вероятность коллизий, то есть случаев одновременной передачи кадра несколькими станциями.
Во время коллизии происходит наложение сигналов нескольких передатчиков, из-за чего информация всех передаваемых на периоде коллизии кадров искажается. Поскольку в локальных сетях применяются достаточно простые методы кодирования, то они не позволяют выделить нужный сигнал из суммарного, как это, например, может делать технология CDMA.
Существует большое количество алгоритмов случайного доступа, которые снижают вероятность коллизий и тем самым повышают производительность сети. Например, существует класс алгоритмов, которые разрешают начать передачу кадров только в начале очередного временного интервала, обычно называемого слотом. Впервые такое улучшение было предложено для сети ALOHA.
В этой сети метод случайного доступа разрешает узлу передавать кадр в любой момент времени без всяких предварительных условий. Синхронизация передачи кадров с началом очередного слота позволила снизить вероятность коллизий в модифицированном алгоритме ALOHA по сравнению с первоначальным вариантом ALOHA в два раза, обеспечив нормальную работу сети с коэффициентом использования среды до 36 %.
Термины «станция» и «узел» используются здесь и далее как синонимы.
Еще одним способом улучшения случайного доступа является введение процедуры прослушивания среды перед передачей. Узел не имеет права передавать кадр, если он обнаруживает, что среда уже занята передачей другого кадра. Это снижает вероятность коллизий (хотя, как увидим позже, и не исключает их).
Алгоритмы случайного доступа не гарантируют узлу, что он получит доступ к разделяемой среде в течение определенного времени. Какое бы большое время ожидания мы ни выбрали, всегда есть ненулевая вероятность, что реальное время ожидания превысит этот предел. Алгоритмы случайного доступа также не предоставляют никаких возможностей для дифференцированной поддержки характеристик QoS для разных типов трафика — все кадры получают одинаковый уровень доступа к среде.
Детерминированный доступ — это другой полулярныи подход к обеспечению дсютупа к разделяемой среде. Он получил свое название благодаря тому, что максимальное время ожидания доступа к среде всегда известно.
Алгоритмы детерминированного доступа используют два механизма - передачу токена и опрос.
Передача токена обычно реализуется децентрализовано. Каждый компьютер, получивший токен, имеет право на использование разделяемой среды в течение фиксированного промежутка времени — времени удержания токена. В это время компьютер передает свои кадры. После истечения этого промежутка компьютер обязан передать токен другому компьютеру. Таким образом, если мы знаем количество компьютеров в сети, то максимальное время ожидания доступа равно произведению времени удержания токена на это число.
Время ожидания может быть и меньше, поскольку, если компьютер, получивший токен, не имеет кадров для передачи, то он передает его следующему компьютеру, не дожидаясь истечения времени удержания. Последовательность передачи токена от компьютера к компьютеру может определяться разными способами. В сетях Token Ring и FDDI она определяется топологией связей. Компьютер в кольце получает токен от предыдущего соседа, а передает токен следующему.
Алгоритм передачи токена можно реализовать не только в кольце. Например, в прекратившей свое существование технологии ArcNet использовался общий коаксиальный кабель для физического подключения компьютеров, а в качестве метода доступа — передача токена. При этом токен передавался между компьютерами в заранее определенной последовательности, не зависящей от мест подключения компьютеров к кабелю.можно реализовать не только в кольце. Например, в прекратившей свое существование технологии ArcNet использовался общий коаксиальный кабель для физического подключения компьютеров, а в качестве метода доступа — передача токена. При этом токен передавался между компьютерами в заранее определенной последовательности, не зависящей от мест подключения компьютеров к кабелю.
Алгоритмы опроса чаще всего основаны на централизованной схеме. В сети существует выделенный узел, который играет роль арбитра в споре узлов за разделяемую среду. Арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети, есть ли у них кадры для передачи. Собрав заявки на передачу, арбитр решает, какому узлу он предоставит право использования разделяемой среды. Затем он сообщает свое
решение выбранному узлу, и тот передает свой кадр, захватывая разделяемую среду. После завершения передачи кадра фаза опроса повторяется.
Алгоритм опроса может быть также децентрализованным. В этом случае все узлы должны предварительно сообщить друг другу с помощью разделяемой среды свои потребности в передаче кадров. Затем на основе этой информации и в соответствии с определенным критерием каждый из узлов, желающих передать кадр, независимо от других узлов определяет свою очередь в последовательности передач.
Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа тем, что они более эффективно работают при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице. В то же время при небольшой загрузке сети более эффективными являются алгоритмы случайного доступа, так как они позволяют передать кадр немедленно, не тратя время на процедуры определения права доступа к среде.
Достоинство детерминированных методов доступа также заключается в том, что они могут приоритезировать трафик, а значит, поддерживать требования QoS.
Формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на основании информации, получаемой от протокола верхнего уровня, такой как адреса источника и назначения, пользовательские данные, признак протокола верхнего уровня, отсылающего эти данные.. После того как кадр сформирован, уровень MAC подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле.
Передача кадра через среду. Когда кадр сформирован и доступ к разделяемой среде получен, уровень MAC передает кадр на физический уровень, который побитно передает все поля кадра в среду. Функции физического уровня выполняет передатчик сетевого адаптера, который преобразует байты кадра в последовательность битов и кодирует их соответствующими электрическими или оптическими сигналами. После прохождения сигналов по среде они поступают в приемники сетевых адаптеров, подключенных к разделяемой среде, которые выполняют обратное преобразование сигналов в байты кадра.
Прием кадра. Уровень MAC каждого узла сети, подключенного к разделяемой среде, проверяет адрес назначения поступившего кадра, и если он совпадает с его собственным адресом, то продолжает его обработку, в противном случае кадр отбрасывается. Продолжение обработки заключается в проверке корректности контрольной суммы кадра. Кадр с корректной контрольной суммой передается уровнем MAC вверх по стеку, на чем функции уровня MAC заканчиваются. Если же контрольная сумма кадра говорит о том, что информация при передаче через среду была искажена, то кадр отбрасывается.
Из этого описания следует, что Ethernet реализует дейтаграммный полудуплексный режим передачи данных.
Уровень LLC выполняет две функции:
- организует интерфейс с прилегающим к нему сетевым уровнем;
- обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности.
Интерфейсные функции LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем. При передаче данных сверху вниз уровень LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет (например, IP- или IPX-пакет), в котором уже находятся пользовательские данные. Помимо пакета сверху также передается адрес узда назначения в формате той технологии LAN, которая будет использована для доставки кадра в пределах данной локальной сети. Напомним, что в терминах стека TCP/IP такой адрес называется аппаратным.
Полученные от сетевого уровня пакет и аппаратный адрес уровень LLC передает далее вниз — уровню MAC. Кроме того, LLC при необходимости решает задачу мультиплексирования, передавая данные от нескольких протоколов сетевого уровня единственному протоколу уровня MAC.
При передаче данных снизу вверх LLC принимает от уровня MAC пакет сетевого уровня, пришедший из сети. Теперь ему нужно выполнить еще одну интерфейсную функцию — демультиплексирование, то есть решить, какому из сетевых протоколов передать полученные от MAC данные
Задачи мультиплексирования и демультиплексирования свойственны не только LLC, но и любому протоколу, над которым может работать несколько протоколов. Для демультиплексирования данных LLC использует в своем заголовке специальные поля . Поле DSAP (Destination Service Access Point — точка входа службы приемника) используется для хранения кода протокола, которому адресовано содержимое поля данных.
Соответственно, поле SSAP (Source Service Access Point — точка входа службы источника) используется для указания кода протокола, от которого посылаются данные. Применение двух полей для целей демультиплексирования является нетипичным, обычно протоколы обходятся одним полем, например, протокол IP всегда посылает свои пакеты протоколу IP, а протокол IPX — протоколу IPX.
Два поля полезны в тех случаях, когда вышележащий протокол поддерживает несколько режимов работы, так что протокол на узле-отправителе может использовать различные значения DSAP и SSAP для уведомления узла-получателя о переходе в новый режим работы. Этим свойством протокола LLC часто пользуется протокол NetBEUI.
Обеспечение доставки кадров с заданной степенью надежности — вторая основная функция уровня LLC. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся надежностью доставки. Уровень LLC, непосредственно прилегающий к сетевому уровню, принимает от него запрос на выполнение транспортной операции канального уровня с тем или иным качеством.
Возможно, функции LLC по обеспечению надежной передачи данных в LAN напомнят читателю функции транспортного уровня моделей OSI и TCP/IP. Действительно, соотношение функций протоколов LLC и MAC во многом подобно соотношению функций протоколов UDP/TCP и IP. Как и протоколы транспортного уровня UDP/TCP, протокол LLC не занимается непосредственно доставкой кадров узлам сети.
Передачу данных между узлами, подобно IP, выполняет после получения доступа к разделяемой среде уровень MAC. MAC, так же как и IP, обеспечивает доставку в дейтаграммном режиме, то есть без установления соединения и без восстановления потерянных или поврежденных кадров. В том случае, когда протоколы верхних уровней запрашивают у LLC надежный транспортный сервис, LLC устанавливает соединение с узлом назначения и организует повторную доставку кадров.
Уровень LLC предоставляет верхним уровням три типа транспортных услуг.
Услуга LLC1 — услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных. LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. В этом случае LLC поддерживает дейтаграммный режим работы, как и MAC, так что и технология LAN в целом работает в дейтаграммном режиме. Обычно эта процедура используется, когда такие функции, как восстановление данных после ошибок и упорядочивание данных, выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на уровне LLC.
Услуга LLC2 — дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного соединения. Для надежной доставки данных протокол LLC2 использует алгоритм скользящего окна.
Услуга LLC3 — услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных. В некоторых случаях (например, при использовании сетей в системах реального времени, управляющих промышленными объектами), с одной стороны, временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а, с другой стороны, подтверждение о корректности приема переданных данных необходимо. Для такого рода ситуаций и предусмотрена дополнительная услуга LLC3, которая является компромиссом между LLC1 и LLC2, так как она не предусматривает установление логического соединения, но обеспечивает подтверждение получения данных.
Какой из трех режимов работы уровня LLC будет использован, зависит от требований протокола верхнего уровня. Информация о требуемой от LLC транспортной услуге передается через межуровневый интерфейс уровню LLC вместе с аппаратным адресом и пакетом с пользовательскими данными. Например, когда поверх LLC работает протокол IP, он всегда запрашивает режим LLC1, поскольку в стеке TCP/IP задачу обеспечения надежной доставки решает протокол TCP.
Из протоколов, применяющихся на практике, только стек Microsoft/IBM, основанный на протоколе NetBIOS/NetBEUI, использует режим LLC2. Это происходит тогда, когда сам протокол NetBIOS/NetBEUI должен работать в режиме с восстановлением потерянных и искаженных данных. В этом случае эта работа перепоручается уровню LLC2. Если же протокол NetBIOS/NetBEUI работает в дейтаграммном режиме, то он пользуется услугой LLC1.
В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации технологий LAN, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, содержащих рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Эти стандарты базируются на популярных фирменных стандартах, в частности Ethernet, ArcNet и Token Ring.
Результаты работы комитета 802 легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1…5. Комитет IEEE 802 и сегодня является основным международным органом, разрабатывающим стандарты технологий локальных сетей.
Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов LAN принимали и принимают участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, институтом ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. Это был первый протокол LAN, который достиг такой скорости, в 10 раз превысив скорость технологии Ethernet.
Стандарт LLC курирует рабочая группа 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802 (например, стандартизованный ANSI протокол FDDI), ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2.
Описание каждой технологии в стандарте разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствуют несколько вариантов протоколов физического уровня Не только для технологий Ethernet и Token Ring, но также и для других технологий, таких как ArcNet, FDDI, Fast-Ethernet, GigabitEthernet, 10G Ethernet).
Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были даны общие определения локальных сетей и их свойств, показана связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI.
Наиболее практически важными являются те стандарты подкомитета 802.1, которые описывают взаимодействие различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия.Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802.1D, описывающий логику работы прозрачного моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий функционирование транслирующего моста и т. п.
Набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, сравнительно недавно он пополнился двумя важными стандартами: стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN) в сетях на основе коммутаторов, и стандартом 802.1р, описывающим способ прио-ритезации трафика на канальном уровне, то есть поддержку механизмов QoS.
Стандарты комитетов 802.3, 802.4, 802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу.
Основу стандарта 802.3 составила технология экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году.
В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox (сокращенно — DIX) совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX, или Ethernet И. На базе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником.
Стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.
Комитет 802.11 занимается разработкой локальных беспроводных сетей с методами доступа к среде, близкими к тем, которые используются в сетях Ethernet. Поэтому стандарты 802.11 также называют стандартами paдиoEthernet (хотя само название Ethernet в тексте стандартов 802.11 не фигурирует).
Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты — стандарты 802.x в ряде случаев долгие годы сосуществовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Исключение составляет технология Ethernet.
Последний фирменный стандарт Ethernet DIX версии II был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet появляются только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.
Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Сначала группа компаний образовывала объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.
Список ключевых слов: метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий, МАС-адрес, индивидуальный МАС-адрес, групповой МАС-адрес, широковещательный МАС-адрес, централизованный способ назначения адресов, локальный способ назначения адресов, организационно уникальный идентификатор, коллективный доступ, несущая частота, преамбула, ограничитель начала кадра, межпакетный интервал, коллизия, обнаружение коллизии, jam-последовательность, интервал отсрочки, усеченный экспоненциальный двоичный алгоритм отсрочки, время оборота, максимальный диаметр сети.
Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением коллизий) используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet.
На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами. Обычно МАС-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес.
Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1, то групповым.
Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурированными (например, вручную или автоматически по запросу вышележащего уровня) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом с ним ассоциируется еще один адрес — групповой. В частном случае, если групповой адрес состоит из всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление OxFFFFFFFFFFFF, он идентифицирует все узлы сети и называется широковещательным.
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса — централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно по правилам IEEE 802.
В стандартах IEEE Ethernet младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит — в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка следования битов в байте соответствует порядку передачи битов в линию связи передатчиком Ethernet (первым передается младший бит). В стандартах других организаций, например RFC IETF, ITU-T, ISO, используется традиционное представление байта, когда младший бит считается самым правым битом байта, а старший — самым левым. При этом порядок следования байтов остается традиционным.
Поэтому при чтении стандартов, опубликованных этими организациями, а также чтении данных, отображаемых на экране операционной системой или анализатором протоколов, значения каждого байта кадра Ethernet нужно зеркально отобразить, чтобы получить представление о значении разрядов этого байта в соответствии с документами IEEE. Например, групповой адрес, имеющий в нотации IEEE вид 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 или в ше-стнадцатеричной записи 80-00-A7-F0-00-00, будет, скорее всего, отображен анализатором протоколов в традиционном виде как 01-00-5E-0F-00-00.
Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI). Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса (например, идентификатор 0×0020AF определяет компанию 3COM, а ОхОООООС — Cisco). За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудования.
Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей — Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д. Локальные адреса назначаются администратором сети, в обязанности которого входит обеспечение их уникальности.
Предполагая для простоты изложения, что каждый узел (станция) имеет только один сетевой интерфейс, рассмотрим, как на основе алгоритма CSMA/CD происходит передача данных в сети Ethernet.
Все компьютеры в сети с разделяемой средой имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).
Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).
Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней не