Сетевой доступ (стр. 7 )

Методы управления доступом к среде передачи

В некоторых сетевых топологиях множество узлов использует общее средство подключения. Такие сети называются сетями с множественным доступом. Примерами таких сетей являются локальные сети Ethernet и беспроводные локальные сети (WLAN). В любой момент может возникнуть ситуация, когда несколько устройств пытается отправить или получить данные, используя одно и то же средство подключения.

В некоторых сетях с множественным доступом необходимы правила регулирования доступа устройств к общей физической среде. Существует два основных метода управления доступом к общей среде.

Конкурентный доступ: все узлы, работающие в полудуплексном режиме, соревнуются за использование среды, но осуществлять передачу в каждый момент времени может лишь одно устройство. Однако существует специальный протокол, определяющий, что должно происходить в случае одновременной передачи обоими устройствами. Примерами такого типа управления доступом являются локальные сети Ethernet с концентраторами и беспроводные локальные сети (WLAN). На рисунке 1 показан конкурентный доступ.

Управляемый доступ: каждому узлу отводится собственное время для использования среды. Такие детерминистические типы сетей являются неэффективными из-за того, что устройство должно дожидаться своей очереди для доступа к среде. Примерами такого типа управления доступом являются устаревшие сети Token Ring. На рисунке 2 показан управляемый доступ. Дополнительную информацию об управляемом доступе см. в главе «Приложение».

По умолчанию коммутаторы Ethernet работают в полнодуплексном режиме. Это позволяет коммутатору и подключенному к нему в полнодуплексном режиме устройству осуществлять передачу и прием одновременно.

Конкурентный доступ — CSMA/CD

Примерами сетей с конкурентным доступом являются беспроводные локальные сети (WLAN), локальные сети Ethernet с концентраторами и устаревшие сети Ethernet с шинной топологией. Все эти сети работают в полудуплексном режиме. При этом необходим специальный протокол, определяющий, когда устройство может осуществлять передачу, и что происходит в случае одновременной передачи несколькими устройствами.

В полудуплексных сетях Ethernet используется протокол множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением столкновений (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection; CSMA/CD). На рисунке 1 показана сеть Ethernet с концентратором. Протокол CSMA работает по следующему алгоритму:

1. В PC1 имеется кадр Ethernet, который нужно передать в PC3.

2. Сетевая плата PC1 должна определить, осуществляет ли кто-либо передачу по среде. Если она не обнаруживает сигнал несущей, другими словами, не принимает данные от другого устройства, то делает вывод о том, что сеть свободна для передачи.

3. Сетевая плата PC1 передает кадр Ethernet, как показано на рисунке 1.

4. Концентратор Ethernet принимает кадр. Концентратор Ethernet также называют многопортовым ретранслятором. Он осуществляет регенерацию всех битов, принятых на входящем порте, и их рассылку через все остальные порты, как показано на рисунке 2.

5. Если другое устройство, например PC2, хочет осуществить передачу, но в данный момент принимает кадр, оно должно дождаться освобождения канала.

6. Кадр будет доставлен всем устройствам, подключенным к концентратору. Но поскольку в кадре указан адрес целевого канала данных, относящегося к PC3, то только это устройство будет принимать и сохранять весь кадр. Сетевые платы всех остальных устройств игнорируют кадр, как показано на рисунке 3.

Если два устройства выполняют передачу одновременно, возникает конфликт. Оба устройства обнаружат конфликт в сети. Это называется обнаружением конфликтов (CD). Сетевая плата распознает этот конфликт, сравнивая отправленные данные с принятыми или определяя превышение нормальной амплитуды сигнала в среде передачи данных. Данные, передаваемые обоими устройствами, будут повреждены, из-за чего потребуется их повторная отправка.

Конкурентный доступ — CSMA/CA

Другим видом доступа CSMA, используемым в беспроводных локальных сетях IEEE 802.11, является множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием столкновений (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance; CSMA/CA). При доступе CMSA/CA для контроля освобождения среды используется метод, аналогичный CSMA/CD. В CMSA/CA также используются дополнительные процедуры. CMSA/CA не обнаруживает конфликты, а старается избежать их, ожидая своей очереди для передачи. Каждое передающее устройство включает в передаваемую информацию сведения о времени, необходимом ему для передачи. Все остальные беспроводные устройства принимают эту информацию и знают, как долго среда передачи данных будет занята (см. рисунок). После передачи беспроводным устройством кадра 802.11 приемник возвращает подтверждение, информируя отправителя о доставке кадра.

Независимо от вида сети (будь то локальная сеть Ethernet с концентраторами или беспроводная локальная сеть), системы с конкурентным доступом плохо масштабируются при интенсивном использовании средства подключения. Следует отметить, что в локальных сетях Ethernet с коммутаторами конкурентный доступ не используется, поскольку коммутатор и сетевая плата узла работают в полнодуплексном режиме.

Кадр

Канальный уровень подготавливает пакет для перемещения по среде передачи данных локальной сети, добавляя к нему заголовок и концевик с целью создать кадр. Описание кадра является ключевым элементом каждого протокола канального уровня. Хотя кадры канального уровня описываются множеством различных протоколов канального уровня, кадры любого типа состоят из трех основных компонентов.

Заголовок

Данные

Концевик

Все протоколы канального уровня инкапсулируют единицу данных протокола (PDU) уровня 3 в пределах поля данных кадра. Однако структура кадра и полей, содержащихся в заголовке и концевике, отличается в зависимости от протокола.

Не существует такой структуры кадра, которая соответствовала бы требованиям всех видов передачи данных во всех типах средств подключения. Количество управляющей информации, которая должна присутствовать в кадре, зависит от окружения и изменяется в соответствии с требованиями управления доступом для конкретной среды и логической топологии.

Как показано на рисунке, в нестабильной среде требуется больше информации управления.

Поля кадра

Кадрирование делит поток на дешифруемые группы. Управляющая информация помещается в заголовок и концевик в виде значений в разных полях. Этот формат придает физическим сигналам структуру, которую узлы способны принимать и декодировать в пакеты в точке назначения.

Как показано на рисунке, существуют следующие типы полей кадра.

Флаги начала и конца кадра: используются для определения границ начала и конца кадра.

Адресация: указывает узлы источника и назначения в среде передачи данных.

Тип: указывает протокол уровня 3 в поле данных.

Управление: указывает особые службы управления потоком, например качество обслуживания (QoS). Служба QoS используется для приоритетной пересылки определенных типов сообщений. Кадры каналов передачи данных, в которых пересылаются пакеты протокола VoIP, обычно пользуются приоритетом, поскольку они чувствительны к задержкам.

Данные: содержит полезную нагрузку кадра (т. е. заголовок пакета, заголовок сегмента и данные).

Обнаружение ошибок: эти поля кадра используются для обнаружения ошибок и помещаются после данных для формирования концевика.

Не каждый протокол включает в себя все эти поля. Фактический формат кадра определяется стандартами для конкретного канального протокола.

Протоколы канального уровня добавляют концевик в конец каждого кадра. Концевик используется, чтобы проверить наличие ошибок в принятом кадре. Этот процесс называется обнаружением ошибок. Для этого в концевике кадра размещается специальная информация, полученная путем математической или логической обработки содержимого кадра. Биты обнаружения ошибок добавляются на канальном уровне, т. к. сигналы в среде передачи данных могут быть подвержены помехам, искажениям или потерям, в результате чего значения представленных этими сигналами битов могут изменяться.

Передающий узел путем логической обработки содержимого кадра создает так называемый циклический избыточный код (cyclic redundancy check, CRC). Значение этого кода помещается в поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) и предоставляет информацию о содержимом кадра. Поле FCS в концевике кадра Ethernet позволяет принимающему узлу проверять кадр на наличие ошибок передачи. Дополнительную информацию о концевике кадра см. в главе «Приложение».

Адрес уровня 2

Канальный уровень обеспечивает адресацию, используемую при пересылке кадра по совместно используемой среде передачи данных в локальной сети. Адреса устройств на этом уровне называются физическими адресами. Адресация канального уровня содержится в заголовке кадра и указывает узел назначения кадра в локальной сети. Заголовок кадра может также содержать адрес источника кадра.

В отличие от логических адресов уровня 3, которые являются иерархическими, физические адреса не указывают, в какой сети находится устройство. Физический адрес — это адрес конкретного физического устройства. Если устройство перемещается в другую сеть или подсеть, оно продолжит функционировать с тем же физическим адресом уровня 2.

На рисунках 1–3 представлены функции адресов уровней 2 и 3. В ходе пересылки IP-пакетов от узла к маршрутизатору, между маршрутизаторами и, наконец, от маршрутизатора к узлу в каждой точке на пути своего следования IP-пакет инкапсулируется в новый кадр канала передачи данных. Каждый кадр канального уровня содержит адрес канала-источника (передавшего этот кадр сетевой платы) и адрес канала назначения (сетевой платы, принимающей этот кадр).

Адрес, соответствующий конкретному устройству и не являющийся иерархическим, нельзя использовать для поиска устройств в больших сетях или в Интернете. Это было бы так же сложно, как искать единственный конкретный дом по всему земному шару, зная лишь номер дома и название улицы. Однако физический адрес можно использовать для обнаружения устройства в ограниченной зоне. Поэтому адрес канального уровня используется только для локальной доставки пакетов. Адреса этого уровня не имеют смысла за пределами локальной сети. Сравните их с уровнем 3, где адреса в заголовке пакета передаются от узла источника на узел назначения, независимо от количества транзитных участков сети на протяжении маршрута.

Если данные должны перейти в другой сегмент сети, необходимо промежуточное устройство, например маршрутизатор. Маршрутизатор должен принять кадр согласно физическому адресу и деинкапсулировать его для анализа иерархического адреса или IP-адреса. С помощью IP-адреса маршрутизатор может определить местоположение устройства назначения в сети, а также наилучший путь к нему. Узнав, куда необходимо переслать пакет, маршрутизатор создает для него новый кадр, который отправляется в следующий сетевой сегмент к месту назначения.

Кадры LAN и WAN

В сети на основе стека протоколов TCP/IP все протоколы уровня 2 модели OSI работают с протоколом IP на уровне 3 модели OSI. Однако фактически используемый протокол уровня 2 зависит от логической топологии сети и физической среды передачи данных.

Каждый протокол управляет доступом к среде для указанных логических топологий уровня 2. Это означает, что при реализации этих протоколов в качестве узлов, действующих на канальном уровне, может использоваться целый ряд различных сетевых устройств. К таким устройствам относятся сетевые платы на компьютерах, а также интерфейсы на маршрутизаторах и коммутаторах уровня 2.

Протокол уровня 2, используемый для конкретной топологии сети, определяется технологией, используемой для реализации этой топологии. Эта технология, в свою очередь, определяется размером сети (с точки зрения количества узлов и территории) и сервисами, предоставляемыми в этой сети.

В локальных сетях обычно используются технологии, которые обеспечивают высокую пропускную способность и поддерживают большое количество узлов. Сравнительно небольшая протяженность локальных сетей (в пределах одного здания или комплекса зданий) и высокая плотность пользователей обеспечивают рентабельность этой технологии.

Однако использование технологии с высокой пропускной способностью обычно нерентабельно для глобальных сетей, охватывающих обширные территории (например, города или целые области). Ввиду высокой стоимости физических каналов большой протяженности и технологий, используемых для передачи сигналов на большие расстояния, пропускная способность таких сетей, как правило, определяется уровнем рентабельности.

Разница в пропускной способности требует использования различных протоколов для локальных и глобальных сетей.

К протоколам канального уровня относятся:

Ethernet

Беспроводная сеть 802.11

Протокол точка-точка (протокол PPP)

HDLC

Протокол ретрансляции кадров (протокол Frame Relay)