Материал: Лекція 3-4

Лекція 3 - 4.

Тема: Пакети, протоколи й методи керування обміном

Мета: розглянути основну одиницю передачі даних мережею – пакет, його структуру та правила адресації. Ознайомити студентів з методами керування обміном даними в мережах з різною топологією, особливостями, властивими кожній з них. Зупинитися на схемах маршрутизації в локальній мережі.

Що таке середовище передачі?

Які різновиди ви можете назвати?

Дайте коротку характеристику паралельній та послідовній передачі інформації.

На які групи можна поділити кабелі, що використовуються для прокладки мереж?

Які параметри кабелю принципово важливі для використання в локальних мережах?

Перерахуйте відомі вам стандарти немережеві кабелі.

Що таке скручена пара? Як виглядає цей кабель?

За якими категоріями класифікують скручені пари?

Що таке NEXT? Навіщо його детектувати?

Як приєднуються скручені пари?

В яких топологіях використовуються скручені пари?

Що таке коаксіальний кабель? Як він виглядає?

Які основні характеристики коаксіального кабелю можна назвати?

В чому причина витіснення коаксіальних кабелів?

Як класифікуються коаксіальні кабелі?

Що таке оптоволоконний кабель? Як він виглядає?

В чому основна відмінність оптоволокна від міді?

Яким чином здійснюється передача даних по оптоволоконному каналу?

Як класифікуються оптоволоконні кабелі?

ПЛАН

1 Призначення пакетів й їхня структура

2 Адресація пакетів

3 Методи керування обміном

3.1 Керування обміном у мережі з топологією зірка

3.2 Керування обміном у мережі з топологією шина

3.3 Керування обміном у мережі з топологією кільце

4 Маршрутизація

1 Призначення пакетів й їхня структура

Інформація в локальних мережах, як правило, передається окремими порціями, фрагментами, називаними в різних джерелах пакетами (packets), кадрами (frames) або блоками. Причому гранична довжина цих пакетів строго обмежена (звичайно трохи більше кілобайту). Обмежено довжину пакета й знизу (як правило, декількома десятками байт). Вибір пакетної передачі пов'язаний з декількома важливими міркуваннями.

Локальна мережа, як ми вже відзначали, повинна забезпечувати якісний, прозорий зв'язок всім абонентам (комп'ютерам) мережі. Найважливішим параметром є так називаний час доступу до мережі (access time), що визначається як часовий інтервал між моментом готовності абонента до передачі (коли йому є що передавати) і моментом початку цієї передачі. Це час очікування абонентом початку своєї передачі. Природно, цей час не повинен бути занадто великим, інакше величина реальної, інтегральної швидкості передачі інформації між додатками сильно зменшиться навіть при високошвидкісному зв'язку.

Очікування початку передачі пов'язане з тим, що в мережі не може відбуватися кілька передач одночасно (у всякому разі, при топологіях шина й кільце). Завжди є тільки один передавач й один приймач (рідше - кілька приймачів). У противному випадку інформація від різних передавачів змішується й спотворюється. У зв'язку із цим абоненти передають свою інформацію із черзі. І кожному абонентові, перш ніж почати передачу, треба дочекатися своєї черги. От цей час очікування своєї черги і є час доступу.

Якби вся необхідна інформація передавалася якимсь абонентом відразу, безупинно, без поділу на пакети, то це привело б до монопольного захоплення мережі цим абонентом на досить тривалий час. Всі інші абоненти змушені були б чекати закінчення передачі всієї інформації, що в ряді випадків могло б зажадати десятків секунд і навіть хвилин (наприклад, при копіюванні вмісту цілого жорсткого диска). Для того щоб зрівняти в правах всіх абонентів, а також зробити приблизно однаковими для всіх їх величину часу доступу до мережі й інтегральну швидкість передачі інформації, саме й застосовуються пакети ( кадри) обмеженої довжини. Важливо також і те, що при передачі великих масивів информації імовірність помилки через перешкоди й збої досить висока.

Наприклад, при характерній для локальних мереж величині ймовірності одиночної помилки в 10^-8 пакет довжиною 10 Кбіт буде спотворений з імовірністю 10^-4, а масив довжиною 10 Мбіт – уже з імовірністю 10^-1. До того ж виявити помилку в масиві з декількох мегабайт набагато складніше, ніж у пакеті з декількох кілобайт. А при виявленні помилки доведеться повторити передачу всього великого масиву. Але й при повторній передачі великого масиву знову висока ймовірність помилки, і процес цей при занадто великому масиві може повторюватися нескінченно.

З іншої сторони, порівняно великі пакети мають переваги перед дуже маленькими пакетами.

Справа в тому, що кожен пакет крім власне даних, які потрібно передати, повинен містити деяку кількість службової інформації. Насамперед, це адресна інформація, що визначає, від кого й кому передається даний пакет(як на поштовому конверті - адреси одержувача й відправника). Якщо порція переданих даних буде дуже маленькою (наприклад, кілька байт), то частка службової інформації стане недозволено високою, що різко знизить інтегральну швидкість обміну інформацією з мережею.

Існує деяка оптимальна довжина пакета (або оптимальний діапазон довжин пакетів), при якій середня швидкість обміну інформацією мережею буде максимальна. Ця довжина не є незмінною величиною, вона залежить від рівня перешкод, методу керування обміном, кількості абонентів мережі, характеру переданої інформації, і від багатьох інших факторів. Є діапазон довжин, що близький до оптимуму.

Таким чином, процес інформаційного обміну в мережі являє собою чергування пакетів, кожний з яких містить інформацію, передану від абонента до абонента.

Рис. 4.1. Передача пакетів у мережі між двома абонентами

В окремому випадку (рис. 4.1) всі ці пакети можуть передаватися одним абонентом (коли інші абоненти не хочуть передавати). Але звичайно в мережі чергуються пакети, послані різними абонентами (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Передача пакетів у мережі між декількома абонентами

Структура й розміри пакета в кожній мережі жорстко визначені стандартом на дану мережу й зв'язані, насамперед, з апаратними особливостями даної мережі, обраною топологією й типом середовища передачі інформації. Крім того, ці параметри залежать від використовуваного протоколу (порядку обміну інформацією).

Але існують деякі загальні принципи формування структури пакета, які враховують характерні риси обміну інформацією з будь-яких локальних мереж.

Найчастіше пакет містить у собі наступні основні поля або частини ( рис. 4.3):

Рис. 4.3. Типова структура пакета

• Стартова комбінація бітів або преамбула, що забезпечує попереднє настроювання апаратур адаптера або іншого мережного пристрою на прийом й обробку пакета. Це поле може бути повністю відсутнє або ж зводитися до єдиного стартового біта.

• Мережна адреса (ідентифікатор) приймаючого абонента, тобто індивідуальний або груповий номер, привласнена кожному приймаючому абонентові в мережі. Ця адреса дозволяє приймачу розпізнати пакет, адресований йому особисто, групі, у яку він входить, або всім абонентам мережі одночасно (при широкому віщанні).

• Мережна адреса (ідентифікатор) передаючого абонента, тобто індивідуальний номер, привласнена кожному передавальному абонентові. Ця адреса інформує приймаючого абонента, звідки прийшов даний пакет. Включення в пакет адреси передавача необхідно в тому випадку, коли одному приймачу можуть поперемінно приходити пакети від різних передавачів.

• Службова інформація, що може вказувати на тип пакета, його номер, розмір, формат, маршрут його доставки, на те, що з ним треба робити приймачу й т.д.

• Дані (поле даних) - це та інформація, заради передачі якої використовується пакет. На відміну від всіх інших полів пакета поле даних має змінну довжину, що, власне, і визначає повну довжину пакета. Існують спеціальні керуючі пакети, які не мають поля даних. Їх можна розглядати як мережні команди. Пакети, що включають поле даних, називаються інформаційними пакетами. Керуючі пакети можуть виконувати функцію початку й кінця сеансу зв'язку, підтвердження прийому інформаційного пакета, запиту інформаційного пакета й т.д.

• Контрольна сума пакета - це числовий код, формований передавачем за певними правилами й утримуючий у згорнутому виді інформацію про весь пакет. Приймач, повторюючи обчислення, зроблені передавачем, із прийнятим пакетом, порівнює їхній результат з контрольною сумою й робить висновок про правильність або помилковість передачі пакета. Якщо пакет помилковий, то приймач запитує його повторну передачу. Звичайно використовується циклічна контрольна сума (CRC). Докладніше про це розказано в главі 7.

• Стопова комбінація служить для інформування апаратур приймаючого абонента про закінчення пакета, забезпечує вихід апаратур приймача зі стану прийому. Це поле може бути відсутнім, якщо використовується код, що самосинхронізується, що дозволяє визначати момент закінчення передачі пакета.

Нерідко в структурі пакета виділяють усього три поля:

• Початкове керуюче поле пакета (або заголовок пакета), тобто поле, що включає в себе стартову комбінацію, мережні адреси приймача й передавача, а також службову інформацію.

• Поле даних пакета.

• Кінцеве керуюче поле пакета (заключення, трейлер), куди входять контрольна сума й стопова комбінація, а також, можливо, службова інформація.

Як уже згадувалося, крім терміна "пакет" (packet) у літературі також нерідко зустрічається термін "кадр" (frame). Іноді під цими термінами мається на увазі те саме. Але іноді мається на увазі, що кадр і пакет розрізняються. Причому єдності в поясненні цих розходжень не спостерігається.

У деяких джерелах затверджується, що кадр вкладений у пакет. У цьому випадку всі перераховані поля пакета крім преамбули й стопової комбінації відносяться до кадру ( рис. 4.4). Наприклад, в описах мережі Ethernet говориться, що наприкінці преамбули передається ознака початку кадру.

Рис. 4.4. Вкладення кадру в пакет

В інших, навпроти, підтримується думка про те, що пакет вкладений у кадр. І тоді під пакетом мається на увазі тільки інформація, що втримується в кадрі, що передається по мережі й постачений службовими полями.

Щоб уникнути плутанини, у даному курсі термін "пакет" буде використатися як більше зрозумілий й універсальний.

У процесі сеансу обміну інформацією мережею між передавальним і приймаючим абонентами відбувається обмін інформаційними й керуючими пакетами за встановленими правилами, називаним протоколом обміну. Це дозволяє забезпечити надійну передачу інформації при будь-якій інтенсивності обміну по мережі.

Приклад найпростішого протоколу показаний на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Приклад обміну пакетами при сеансі зв'язку

Сеанс обміну починається із запиту передавачем готовності приймача прийняти дані. Для цього використовується керуючий пакет "Запит". Якщо приймач не готовий, він відмовляється від сеансу спеціальним керуючим пакетом. У випадку, коли приймач готовий, він посилає у відповідь керуючий пакет "Готовність". Потім починається власне передача даних. При цьому на кожен отриманий інформаційний пакет приймач відповідає керуючим пакетом "Підтвердження". У випадку, коли пакет даних переданий з помилками, у відповідь на нього приймач запитує повторну передачу. Закінчується сеанс керуючим пакетом "Кінець", яким передавач повідомляє про розрив зв'язку. Існує множина стандартних протоколів, які використають як передачу з підтвердженням (з гарантованою доставкою пакета), так і передачу без підтвердження (без гарантії доставки пакета). Докладніше про протоколи обміну буде розказано в наступній главі.

При реальному обміні по мережі застосовуються багаторівневі протоколи, кожний з рівнів яких припускає свою структуру пакета (адресацію, керуючу інформацію, формат даних і т.д.). Адже протоколи високих рівнів мають справа з такими поняттями, як файл-сервер або додаток, що запитує дані в іншого додатка, і цілком можуть не мати уявлення ні про тип апаратур мережі, ні про метод керування обміном. Всі пакети більш високих рівнів послідовно вкладаються в переданий пакет, точніше, у поле даних переданого пакета (рис. 4.6). Цей процес послідовного впакування даних для передачі називається також інкапсуляцією пакетів .

Рис. 4.6. Багаторівнева система вкладення пакетів

Кожен наступний вкладений пакет може містити власну службову інформацію, що застосувується як до даних (заголовок), так і після них (трейлер), причому її призначення може бути різним. Безумовно, частина допоміжної інформації в пакетах при цьому зростає з кожним наступним рівнем, що знижує ефективну швидкість передачі даних. Для збільшення цієї швидкості переважніше, щоб протоколи обміну були простіше, і рівнів цих протоколів було менше. Інакше ніяка швидкість передачі бітов не допоможе, і швидка мережа може передавати файл довше, ніж повільна мережа, що користується більше простим протоколом.

Зворотний процес послідовного розпакування даних приймачем називається декапсуляцією пакетів.

2 Адресація пакетів

Кожен абонент (вузол) локальної мережі повинен мати свою унікальну адресу (ідентифікатор або MAC-адресу), для того щоб йому можна було адресувати пакети. Існують дві основні системи присвоєння адрес абонентам мережі (точніше, мережним адаптерам цих абонентів).

Перша система зводиться до того, що при встановленні мережі кожному абонентові користувач привласнює індивідуальну адресу один за одним, приміром, від 0 до 30 або від 0 до 254. Присвоювання адрес здійснюється програмно або за допомогою перемикачів на платі адаптера. При цьому необхідна кількість розрядів адреси визначається з нерівності:

2ⁿ > N_max

де n – кількість розрядів адреси, а N_max – максимально можлива кількість абонентів у мережі. Наприклад, вісім розрядів адреси досить для мережі з 255 абонентів. Одна адреса (звичайно 1111....11) приділяється для широкомовної передачі, тобто він використовується для пакетів, адресованих всім абонентам одночасно.

Переваги даного підходу - малий об'єм службової інформації в пакеті, а також простота апаратур адаптера, що розпізнає адресу пакета. Недолік - трудомісткість завдання адрес і можливість помилки (наприклад, двом абонентам мережі може бути привласнена однакова адреса). Контроль унікальності мережних адрес всіх абонентів покладається на адміністратора мережі.

Другий підхід до адресації був розроблений міжнародною організацією IEEE, що займається стандартизацією мереж. Саме він використовується в більшості мереж і рекомендований для нових розробок. Ідея цього підходу полягає в тому, щоб привласнювати унікальну мережну адресу кожному адаптеру мережі ще на етапі його виготовлення. Якщо кількість можливих адрес буде досить великою, то можна бути впевненим, що в будь-якій мережі по усому світі ніколи не буде абонентів з однаковими адресами. Тому був обраний 48-бітний формат адреси, що відповідає приблизно 280 трильйонам різних адрес. Зрозуміло, що стільки мережних адаптерів ніколи не буде випущено.

Для того щоб розподілити можливі діапазони адрес між численними виготовлювачами мережних адаптерів, була запропонована наступна структура адреси (рис. 4.7):

Рис. 4.7. Структура 48-бітної стандартної MAC-адреси

• Молодші 24 розряди коду адреси називаються OUA (Organizationally Unique Address) - організаційно унікальну адресу. Саме їх привласнює кожний із зареєстрованих виробників мережних адаптерів. Усього можливо понад 16 мільйонів комбінацій, тобто кожен виробник може випустити 16 мільйонів мережних адаптерів.

• Наступні 22 розряди коду називаються OUI (Organizationally Unique Identifier) - організаційно унікальний ідентифікатор. IEEE привласнює один або кілька OUI кожному виробникові мережних адаптерів. Це дозволяє виключити збіг адрес адаптерів від різних виробників. Усього можливо понад 4 мільйонів різних OUI, це означає, що теоретично може бути зареєстровано 4 мільйони виробників. Разом OUA й OUI називаються UAA (Universally Administered Address) - універсально керована адреса або IEEE-адреса.

• Два старших розряди адреси є керуючими, вони визначають тип адреси, спосіб інтерпретації інших 46 розрядів. Старший біт I/G (Individual/Group) указує на тип адреси. Якщо він установлений в 0, то адреса індивідуальна, якщо в 1, те групова (багатопунктова або функціональна) адреса. Пакети із груповою адресою одержать всі мережні адаптери, що мають цю групову адресу. Причому групова адреса визначається 46 молодшими розрядами. Другий керуючий біт U/L (Universal/Local) називається прапорцем універсального/місцевого керування й визначає, як була привласнена адреса даному мережному адаптеру. Звичайно він установлений в 0. Установка біта U/L в 1 означає, що адреса задана не виробником мережного адаптера, а організацією, що використає дану мережу. Це трапляється досить рідко.

Для широкомовної передачі (тобто передачі всім абонентам мережі одночасно) застосовується спеціально виділена мережна адреса, всі 48 бітів якого встановлені в одиницю. Його приймають всі абоненти мережі незалежно від їх індивідуальних і групових адрес.