“Информационные технологии в металлургии” (стр. 1 )

Институт цветных металлов и материаловедения СФУ

Кафедра автоматизации производственных процессов

ЦМ	Дисциплина “Информационные технологии в металлургии” Красноярск 2010 г.

Лабораторная работа № 3

“Передача данных в сети Ethernet и настройка рабочей станции в Windows XP”

Цель работы

1. Изучить основы передачи данных в сети Ethernet.

2. Изучить интерфейс настройки рабочих станций Microsoft Windows.

3. Научиться настраивать рабочую станцию Windows XP для клиента Microsoft в сети Ethernet.

Методика выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. Настроить рабочую станцию.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Передача данных в сетях Ethernet

Информация по сети передается в виде пакетов данных. Однако на сетевом уровне модели OSI пакеты данных называют дейтаграммами. На уровне представления данных модели OSI используется уже термин кадр. В каждом кадре содержится служебная информация, которую необходимо передать через сетевое соединение, наряду с данными.

Поле данных кадра обычно формируется протоколами высокого уровня и передается по сети на уровне представления данных. Так, протокол IP формирует кадр из заголовка, содержащего служебную информацию, и собственно передающихся данных. На уровне пред­ставления данных заголовок и тело уже не различаются, а кадры передаются по сети как еди­ное целое.

Структура кадра зависит от типа сети. Формат оригинального кадра Ethernet и формат кадра Ethernet II лишь немного отличаются от формата IEEE 802.3, а стандарту IEEE 802.5 (сети Token Ring с использованием маркера ) соответствует совершенно иной формат кадра. Причины этих различий кроются в том, что сети Ethernet и Token Ring используют различные методы предоставления доступа к среде передачи и обмена данными. Сети 100VG-AnyLAN поддержи­вают как кадры 802.3, так и кадры Token Ring.

XEROX PARC Ethernet и Ethernet II

Сеть Ethernet была разработана фирмой XEROX PARC. Далее к разработке подключилось компании DEC и Intel, что в совокупности с XEROX и дало проекту название DIX. С тех пор в документации появилось название Ethernet II. Исходная структура кадров Ethernet лишь с небольшими дополнениями перекочевала в новую версию Ethernet II. Эти кадры состоят из перечисленных ниже полей.

§  Преамбула – это 8-байтовая последовательность нулей и единиц, которые использу­ются для обозначения начала кадра и участвуют в процессе синхронизации передачи данных.

§  МАС-адрес получателя – 6-байтовый адрес получателя, представленный, как прави­ло, в шестнадцатеричном формате.

§  МАС-адрес отправителя – еще один 6-байтовый адрес, указывающий рабочую станцию, сгенерировавшую кадр.

§  Поле типа – в этом поле размером два байта указывается протокол клиента (IPX, IP и т. п.), данные которого находятся в поле данных.

§  Поле данных – поле неопределенной длины, где собственно хранятся данные.

Определение конечной длины поля возлагается на протокол высокого уровня, поэтому поле типа выполняет очень важную функцию.

Примечание. Термин МАС-адрес означает адрес управления доступом к среде (Media Access Control). Это 48-битовый адрес, который присваивается сетевому адаптеру на заводе и жестко прошива­ется аппаратным путем. МАС-адрес (иногда упоминается как аппаратный или физический адрес), как правило, представляет собой строку из 12 шестнадцатеричных цифр (по две на каждый байт), разделенных дефисом, например: 08-00-2В-ЕА-77-АЕ. Первые три пары цифр назначаются изготовителю сетевого оборудования, а три последующие пары — это уникальный номер, присваиваемый конкретному устройству самим изготовителем. Знание части МАС-адреса, относящейся к изготовителю, может быть полезно при устранении неис­правностей сети. Адрес ff-ff-ff-ff-ff-ff используется как широковещательный. Сообщение, посланное на него, получат все устройства в сети.

Метод доступа CSMA/CD

Метод для обмена данными по сети PARC Ethernet называется коллективным доступом с контролем несущей (Carrier Sense, Multiple Access – CSMA). Позже в спецификации Ethernet II было добавлено понятие обнаружение коллизий (Collision Detect – CSMA/CD). Коллизия (или столкновение) происходит, когда две станции, считая сеть свобод­ной, начинают одновременную передачу данных, в результате чего передача искажается. В ран­них версиях Ethernet использовалась так называемая Манчестерская схема кодирования, где применялся сигнал с уровнями +0,85 V и -0,85 V. Коллизии в этом случае можно обнаружить, если напряжение отклоняется от заданного диапазона на заметную величину.

Однако в порядке обнаружения коллизий передающая станция должна продолжать передачу на протяжении установленного максимального времени обхода, за которое сигнал пройдет по кабелю. Время обхода – это расчетная величина; она не соответствует реальному времени, в течение которого кадр должен достичь конца сетевого сегмента в шине и возвратиться обратно.

В течение времени обхода кабель находится в активном режиме (противоположный ре­жиму ожидания). Этот интервал необходим, чтобы сигнал был "услышан" всеми станциями в сети, включая наиболее отдаленные. Другими словами, кабель должен оставаться в активном режиме на протяжении времени, которое требуется первой станции, чтобы определить, не приступила ли самая отдаленная станция в сети к процессу передачи до принятия послан­ного первой станцией сигнала о начале передачи. Если будет обнаружена станция, начавшая передачу данных ранее, то эта ситуация и будет означать коллизию.

Таким образом, ни одна станция не сможет начать передачу данных в сети, пока не прой­дет достаточно времени, чтобы

§  первый переданный пакет достиг самого удаленного узла в сегменте домена коллизий;

§  любому пакету, переданному наиболее удаленным узлом в сети, хватило времени доб­раться до первого узла, если этот удаленный узел начал собственную передачу перед приемом пакета от первого узла.

Для определения времени обхода требует­ся соответствие кадра какому-то минимальному стандартному размеру. Так как стандартом Ethernet II предусмотрена работа со скоростью 10 Мбит/с, то было выбрано время обхода 50 мкс.

Для вычисления времени обхода было принято, что размер кадра данных должен быть не меньше 500 бит (или 62,5 байт). Это значение округлили до 64 байт. Данная величина и явля­ется минимальным размером кадра Ethernet II. Если размер заголовка кадра с данными ока­зывается менее 64 байт, то кадр дополняется до этого размера нулями. В спецификации Ethernet II определен максимальный размер кадра в 1500 байт.

На рис. 1 представлена структура исходного кадра Ethernet.

	8 байт	6 байт	6 байт	2 байт	46-1500 байт	4 байт
Преамбула	Адрес назначения	Адрес источника	Поле типа	Данные	Проверочная последовательность кадра (FCS)
Рис. 1. Структура исходного кадра Ethernet II

Структура кадра 802.3

В проекте IEEE 802 во многом повторена структура кадра Ethernet II. Однако по сравнению с исходным кадром Ethernet II кадр Ethernet 802.3 имеет ряд отличий. На рис. 2 представлена структура кадра Ethernet 802.3.

Основное отличие состоит в том, что из кадра полностью удалено поле типа. В новой вер­сии те же два байта, которые ранее задавали тип протокола, теперь определяют длину поля данных. Впрочем, размер поля данных указывается только в том случае, если это значение не превышает 1536 бит. Если же размер поля данных больше, то указывается тип протокола.

	7 байт	1 байт	6 байт	6 байт	2 байт	46-1500 байт	4 байт
Преамбула	Символ начала кадра (SFD) назначения	МАС-адрес получателя	МАС-адрес отправителя	Длина поля данных	Поле данных	Проверочная последова- тельность кадра (FCS) Проверка (CRC)
--- минимум 64 байт, максимум 1518 байт -------
Рис. 2. Структура исходного кадра Ethernet 802.3

Длина преамбулы была сокращена до 7 байт, и теперь за ней следует символ начала кадра (Start Frame Delimiter – SFD) размером в 1 байт. Поле SFD содержит стандартное двоичное значение (последний байт преамбулы в исходном кадре Ethernet содержал в конце 10).

Кадр завершается 4-байтовой проверочной последовательностью (Frame Check Sequence – FCS). Это поле используется для хранения контрольного значения циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check – CRC), вычисляемого для кадра. Передающий узел вычисляет значение CRC на базе других битов кадра, а приемный узел затем вычисляет значение CRC для принятого кадра и сравнивает его со значением, поступившим от пере­дающего узла. Если эти два значения не совпадают, значит, кадр претерпел искажения и нуж­дается в повторной передаче.

Структура кадра 802.3 LLC

Модель OSI		Модель IEEE
Уровень приложения		Уровень приложения
Уровень представления		Уровень представления
Уровень сеансов		Уровень сеансов
Транспортный уровень		Транспортный уровень
Сетевой уровень		Сетевой уровень
Уровень передачи данных		Уровень управления логическим каналом (LLC)
	Уровень управления доступом к среде (MAC)
Физический уровень		Физический уровень
Рис. 3. Отличия моделей межсетевого взаимодействия IEEE и OSI

В семиуровневой модели межсетевого взаимодействия OSI самыми низкими уровнями яв­ляются физический и представления данных. Когда разрабатывалась В сетевой модели Института инженеров по электротехни­ке и электронике (IEEE) имеются некоторые отличия от концепции модели OSI (рис. 3).

В версии IEEE уровню представления данных системы OSI соответствуют два других уровня: управления логическим каналом (LLC) и управления доступом к среде (MAC). Однако, это соответствие не полное, так как уровень управления доступом к среде берет на себя ряд функций, соответствующих физическому уровню в модели OSI.

Такое перераспределение функций, в частности, выделение подуровня управления логическим каналом было необходимо для обеспечения сосуществования различных типов среды переда­чи и различных методов доступа к ним в одной сети.

Подзаголовок LLC

Подуровень управления доступом к среде отвечает за использование служб физического уровня для передачи данных между станциями в сети. Эти функции включают простейшую проверку наличия ошибок и адресацию на основе физических или МАС-вдресов.

Подуровень LLC предлагает вышестоящим уровням три возможных способа передачи.

§  Без подтверждения и без логического соединения. Некоторые протоколы высокого уровня (такие как TCP) уже имеют функции управления потоками данных и подтвер­ждения о приеме сообщений, с помощью которых проверяется, успешно ли был пере­дан пакет данных. Таким образом, нет смысла повторять эти операции еще раз.

§  С логическим соединением. Предоставляется возможность наблюдения за активны­ми соединениями. Ее могут использовать те устройства в сети, в протоколах которых не реализованы все уровни OSI.

§  С подтверждением приема без логического соединения. В этом случае предостав­ляется возможность подтверждения о приеме переданных и принятых пакетов, но от­сутствует контроль за состоянием соединений между рабочими станциями. Это при­носит эффект в сетях с жесткими требованиями к расходу памяти, например в банкоматах и других, автоматических устройствах Контроль за ошибками обеспечивается направлением подтверждений о приеме. При этом на каждое сообщение посылается независимое уведомление

Для реализации этих функций LLC протоколом IEEE 802 2 определен подзаголовок, кото­рый помещается непосредственно перед полем данных кадра Подзаголовок LLC состоит из трех байтов. Первый байт – это служебная точка доступа пункта назначения (Destination Service Access Point – DSAP) Второй байт – это служебная точка доступа источника (Source Service Access point – SSAP) И последний байт – поле управления

Кадр Ethernet LLC

На рис. 4 представлен подзаголовок LLC, вставленный в стандартный кадр При этом стандартный размер кадра не меняется, так как его служебная часть расширяется за счет поля данных. В настоящее время в связи с дальнейшим развитием сетевых технологий продолжают развиваться и структуры кадров сети Ethernet/

	7 байт	1 байт	6 байт	6 байт	2 байт	35-1489 байт	4 байт
Преамбула	Символ начала кадра (SFD) назначения	МАС-адрес получателя	МАС-адрес отправителя	Длина поля данных	Поле данных	Проверочная последова- тельность кадра (FCS) Проверка (CRC)
DSAP	SSAP	Поле управления
1 байт, 1-2 байт --- минимум 64 байт, максимум 1518 байт -------
Рис. 4. Структура кадра Ethernet 802.3 LLC

Причины возникновение коллизий в методе CSMA/CD

Под термином коллизия (столкновение) понимаются те или иные нарушения. В технической литературе коллизия описывается как стохастическое арбитражное событие.

Спецификация CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множе­ственный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) описывает метод доступа к среде передачи в Ethernet. Для понимания механизма возникновения коллизией нужно знать принципы получения доступа к среде передачи. Алгоритм этого метода таков:

1. Устройство (порт) "слушает" сеть, чтобы определить, ведется ли в настоящий момент передача данных в канале (контроль несущей).

2. Если канал свободен, начинается передача данных.

3. Может возникнуть ситуация, когда более одного устройства в сети решат, что канал свободен. Тогда все они могут начать передачу одновременно. Таким образом, физи­ческое сетевое соединение является средой общего доступа (множественный доступ).

4. Когда два устройства в сети одновременно начинают передачу данных, сигнал искажает­ся, что, в свою очередь, обнаруживают остальные устройства (обнаружение коллизии).

5. При обнаружении коллизии вовлеченное устройство посылает специальный сигнал из нескольких условных байтов, информируя таким образом другие устройства в сети о коллизии.

6. Затем устройство ждет некоторое время (несколько миллисекунд) и, если канал свобо­ден, пытается передать данные еще раз.

Коллизия в Ethernet возникает вследствие того, что передачу ведут более одного устрой­ства одновременно и отсутствует центральный контроллер или маркер, указывающий, какому узлу вести передачу в данный момент. Когда происходит коллизия, узел сети приостанавливает передачу данных на определенное время.

Такого рода ситуация не может возникнуть в сетях с передачей маркера (типа Token Ring), в которых доступ к сетевой среде жестко регламентирован. Доступ осуществляется лишь в моменты, когда специальный кадр, циркулирующий в сети (кадр маркера), находится на готовом к передаче узле сета. После завершения передачи такой узел сам формирует кадр маркера и вновь посылает его в сеть. Таким образом, Token Ring является сетью с детерми­нированной передачей, которая гарантирует каждой станции в сети возможность передачи в определенное время. В отличие от нее, Ethernet является конкурентной средой, в которой все узлы борются друг с другом за право передать данные.

Алгоритм ожидания возобновления передачи

При возникновении коллизии устройство, обнаружившее ее, приостанавливает на некоторое время передачу данных по сети, чтобы затем повторить ее. Если коллизия произошла в результате того, что два узла сети начали одновременно передавать данные, она может возникать снова и снова. Причиной может послужить ситуация, когда узлы прекращают и вновь возобновляют передачу одновременно.

Алгоритм ожидания возобновления передачи – весьма важная составная часть метода доступа CSMA/CD. Чтобы избежать описанной выше ситуации, интервал времени, на который узел прекращает передачу, не фиксирован, а является случайной величиной.