Загальні відомості

Лекція 6. Локальні та регіональні обчислювальні мермежи

IEEE в свое время разработал серию стандартов IEEE 802, описывающих локальные и региональные сети.

Институт инженеров по электротехнике и электронике — IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E — «Ай трипл и») — международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

Главная цель IEEE — информационная и материальная поддержка специалистов для организации и развития научной деятельности в электротехнике, электронике, компьютерной технике и информатике, приложение их результатов для пользы общества, а также профессиональный рост членов IEEE. Получение бесценной информации о новейших исследованиях и разработках в радиоэлектронике и электротехнике возможно только благодаря IEEE.

Стандарты IEEE 802, ограничены сетями с пакетами переменной длины. Число 802 являлось следующим свободным номером для стандарта, хотя часто ассоциируется с датой принятия стандарта — февраль 1980 года.

Службы и протоколы, указанные в IEEE 802 находятся на двух нижних уровнях (Канальный уровень и Физический) семиуровневой сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет OSI на два подуровня — Media Access Control (MAC) и Logical Link Control LLC. Таким образом, уровни располагаются в следующем виде:

1. Канальный уровень

Подуровень LLC

Подуровень MAC

2. Физический уровень

Рис. 6.1. Расположение подуровня LLC (а); форматы протокола (б)

Logical Link Control (общепринятое сокращение — LLC) — подуровень управления логической связью — по стандарту IEEE 802 — верхний подуровень канального уровня модели OSI, осуществляет:

- управление передачей данных;

- обеспечивает проверку и правильность передачи информации по соединению.

Структура кадра

По своему назначению все кадры уровня LLC (называемые в стандарте IEEE 802.2 блоками данных — Protocol Data Unit, PDU) подразделяются на три типа — информационные, управляющие и ненумерованные:

Информационные кадры предназначены для передачи информации в процедурах с установлением логического соединения и должны обязательно содержать поле информации. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в режиме скользящего окна.

Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков.

Ненумерованные кадрыпредназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления логического соединения передачу информации, идентификацию и тестирование LLC-уровня, а в процедурах с установлением логического соединения — установление и разъединение логического соединения, а также информирование об ошибках.

Все типы кадров уровня LLC имеют единый формат. Они содержат четыре поля:

- адрес точки входа сервиса назначения (Destination Service Access Point, DSAP),

- адрес точки входа сервиса источника (Source Service Access Point, SSAP),

- управляющее поле (Control)

- поле данных (Data)

Кадр LLC обрамляется двумя однобайтовыми полями «Флаг», имеющими значение 01111110. Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока. (Отметим, что формат кадров LLC, за исключением поля адреса точки входа сервиса источника, соответствует формату кадра HDLC, а также одного из вариантов протокола HDLC — протокола LAP-B, используемого в сетях X.25).

Поле данных кадра LLC предназначено для передачи по сети пакетов протоколов верхних уровней — IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях — прикладных протоколов, когда те не пользуются сетевыми протоколами, а вкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.

Поле управления (один байт) используется для обозначения типа кадра данных — информационный, управляющий или ненумерованный. Кроме этого, в этом поле указываются порядковые номера отправленных и успешно принятых кадров, если подуровень LLC работает по процедуре LLC2 с установлением соединения. Формат поля управления полностью совпадает с форматом поля управления кадра LAP-B.

Поля DSAP и SSAP позволяют указать, какой сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Программному обеспечению узлов сети при получении кадров канального уровня необходимо распознать, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра, для того, чтобы передать извлеченный из кадра пакет нужному протоколу для последующей обработки. Например, в качестве значения DSAP и SSAP может выступать код протокола IPX или же код протокола покрывающего дерева Spanning Tree.

Обычно подуровень LLC используется следующим образом. Сетевой уровень передает пакет для LLC с помощью примитивов доступа к подуровню. Затем LLC добавляет к нему свой заголовок, содержащий порядковый номер и номер подтверждения. Затем получившаяся в результате структура помещается в поле данных кадра 802.x, который передается по каналу. На приемной станции происходит обратный процесс.

Подуровень LLC предоставляет три следующих варианта сервисов: ненадежный дейтаграммный сервис, дейтаграммный сервис с подтверждениями и надеж ный ориентированный на соединение сервис. В заголовке LLC имеются три поля: целевая точка доступа, исходная точка доступа и контрольное поле. Точки доступа определяют, с какого процесса пришел кадр и какому процессу его нужно доставить. Это аналог поля Туре кадра DIX. Контрольное поле содержит порядковые номера и номера подтверждений, что также очень сильно напоминает стиль HDLC, однако форматы все-таки немного различаются. Эти поля используются в основном тогда, когда требуется надежное соединение на уровне передачи данных. Для передачи через Интернет IP-пакетов подтверждения на уровне LLC не требуются.

Протоколы, применяющиеся для определения того, кто будет говорить следующим, относятся к подуровню уровня передачи данных, называемому MAC (Medium Access Control — управление доступом к среде).

Media Access Control (MAC), уровень управления доступом к среде (передачи) — подуровень протокола передачи данных, также известен, как Medium Access Control. Является подуровнем канального (второго) уровня модели OSI. MAC обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам, что позволяет нескольким терминалам или точкам доступа общаться между собой в многоточечной сети (например, в локальной или городской вычислительной сети).

Подуровень MAC выступает в качестве интерфейса между подуровнем управления логической связью и физическим (первым) уровнем модели OSI, и эмулирует полнодуплексный логический канал связи в многоточечной сети.

Механизм адресации

Механизм адресации уровня MAC называется физической адресацией или MAC-адресами. MAC-адрес представляет собой уникальный серийный номер (см. OUI), который присваивается каждому сетевому устройству (такому, как сетевая карта в компьютере или сетевой коммутатор)^[1] во время изготовления и позволяет однозначно определить его среди других сетевых устройств в мире. Это гарантирует, что все устройства в сети будут иметь различные MAC-адреса (по аналогии с почтовыми адресами), что делает возможным доставку пакетов данных в место назначения внутри подсети (англ. Subnetwork), т.е. физической сети, состоящей из нескольких сегментов, взаимосвязанных повторителями, хабами, мостами или свичами (но не IP-маршрутизаторами). IP-маршрутизаторы могут соединять несколько подсетей.

Примером физической сети может служить Ethernet-сеть, которая может быть расширена точками доступа беспроводной локальной вычислительной сети (WLAN) и сетевыми адаптерами WLAN, так как они делят те же 48-битные MAC-адреса, что и Ethernet.

MAC-уровень не требуется при полнодуплексной связи «точка-точка», но поля MAC-адреса включены в некоторые протоколы «точка-точка» для обеспечения совместимости.

MAC-адрес (от англ. Media Access Control — управление доступом к среде) — это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. Большинство сетевых протоколов канального уровня используют одно из трёх пространств MAC-адресов, управляемых IEEE: MAC-48, EUI-48 и EUI-64. Адреса в каждом из пространств теоретически должны быть глобально уникальными. Не все протоколы используют MAC-адреса, и не все протоколы, использующие MAC-адреса, нуждаются в подобной уникальности этих адресов.

В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Таким образом, MAC-адреса формируют основу сетей на канальном уровне, которую используют протоколы более высокого (сетевого) уровня. Для преобразования MAC-адресов в адреса сетевого уровня и обратно применяются специальные протоколы (например, ARP и RARP в сетях TCP/IP).

Адреса типа MAC-48 наиболее распространены; они используются в таких технологиях, как Ethernet, Token ring, FDDI, WiMAX и др. Они состоят из 48 бит, таким образом, адресное пространство MAC-48 насчитывает 2⁴⁸ (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE, этого запаса адресов хватит по меньшей мере до 2100 года.

EUI-48 от MAC-48 отличается лишь семантически: в то время как MAC-48 используется для сетевого оборудования, EUI-48 применяется для других типов аппаратного и программного обеспечения.

Идентификаторы EUI-64 состоят из 64 бит и используются в FireWire, а также в IPv6 в качестве младших 64 бит сетевого адреса узла.

Структура MAC-адреса

Рис. 6.2. Структура МАС адресу

Стандарты IEEE определяют 48-разрядный (6 октетов) MAC-адрес, который разделен на четыре части.

Первые 3 октета (в порядке их передачи по сети; старшие 3 октета, если рассматривать их в традиционной бит-реверсной шестнадцатиричной записи MAC-адресов) содержат 24-битный уникальный идентификатор организации (OUI)^[1], или (Код MFG — Manufacturing, производителя), который производитель получает в IEEE. При этом используются только младшие 22 разряда (бита), 2 старшие имеют специальное назначение:

- первый бит указывает, для одиночного (0) или группового (1) адресата предназначен кадр

- следующий бит указывает, является ли MAC-адрес глобально (0) или локально (1) администрируемым.

Следующие три октета выбираются изготовителем для каждого экземпляра устройства. За исключением сетей системной сетевой архитектуры SNA.

Таким образом, глобально администрируемый MAC-адрес устройства глобально уникален и обычно «зашит» в аппаратуру.

Администратор сети имеет возможность, вместо использования «зашитого», назначить устройству MAC-адрес по своему усмотрению. Такой локально администрируемый MAC-адрес выбирается произвольно и может не содержать информации об OUI. Признаком локально администрируемого адреса является соответствующий бит первого октета адреса (см. выше).

Для того, чтобы узнать MAC-адрес сетевого устройства используются следующие команды:

- Windows — ipconfig /all — более подробно расписывает — какой мак к чему относится;

- Linux — ifconfig -a | grep HWaddr

- FreeBSD — ifconfig|grep ether

- HP-UX — /usr/sbin/lanscan

- Mac OS X — ifconfig, либо в Системных Настройках > Сеть > выбрать подключение > Дополнительно > Ethernet > Идентификатор Ethernet

- QNX4 — netinfo -l

- QNX6 — ifconfig или nicinfo

Смена MAC-адреса

Существует распространенное мнение, что MAC-адрес железно вшит в сетевую карту и сменить его нельзя или можно только с помощью программаторов. На самом деле это не так. MAC-адрес легко меняется программным путем, так как значение, указанное через драйвер, имеет более высокий приоритет, чем зашитый в плату. Однако всё же существует оборудование, в котором смену MAC-адреса произвести невозможно иначе, как воспользовавшись программатором. Обычно это телекоммуникационное оборудование, например, приставки для IP-TV (STB).

В Windows смену MAC-адреса можно осуществить встроенными средствами ОС. В свойствах сетевой платы, во вкладке «Дополнительно» Свойство: Сетевой адрес, указывается нужный MAC-адрес.

В Linux MAC-адрес меняется одной командой от пользователя root:

ifconfig ethN hw ether <mac-address>

где ethN — имя сетевого интерфейса.

В FreeBSD, OpenBSD:

ifconfig ethN lladdr <mac-address>

Механизм контроля доступа к каналу

Механизм контроля доступа к каналу, предоставляемый уровнем MAC, также известен, как протокол множественного доступа. Данный протокол позволяет нескольким станциям делить между собой одну среду передачи данных, к которой они подключены. Примерами разделяемой физической среды могут служить сети с топологиями типа «шина», «кольцо», а также сети, созданные с помощью сетевых концентраторов (хабов), беспроводные сети и сети с полудуплексным подключением «точка-точка». Протокол множественного доступа может определять и предотвращать коллизии пакетов (кадров) данных при условии, что в качестве режима конкурирующего доступа используется метод доступа к каналу, или зарезервированы ресурсы для установления логического канала (при использовании метода доступа к каналу, основанному на методе кольцевого переключателя или разбиения среды на каналы).

Механизм множественного доступа основан на схеме мультиплексирования физического уровня.

Наиболее широко используемый протокол множественного доступа основывается на протоколе CSMA/CD, используемом в Ethernet. Этот механизм используется только внутри сетевого домена коллизий, например, в шине Ethernet или в сетевом концентраторе (хабе). Сеть Ethernet может быть разделена на несколько доменов коллизий, соединённых мостами и маршрутизаторами.

Протокол множественного доступа не используется в коммутируемых полнодуплексных сетях, таких, как используемые сегодня коммутируемые сети Ethernet, но частично доступен в оборудовании для обеспечения совместимости.

Рабочие группы

Наиболее важные стандарты 802.3 (Ethernet) и 802.11 (беспроводные ЛВС), 802.15 (Bluetooth и WPAN) и 802.16 (беспроводные региональные сети).