План-конспект урока по теме Три стандарта семейства IEEE 802

Этапы урока

Содержание этапов урока

1. Организационный момент.

Цели для преподавателя:

- создать условия для возникновения у обучающихся внутренней потребности включения в учебную деятельность;

- способствовать повышению мотивации учения.

Цели для обучающихся:

- включиться в учебную деятельность;

- подготовиться к восприятию нового учебного материала.

Цели этапа занятия достигаются посредством:

-объявления темы занятия и постановки общих целей;

- разъяснения роли изучаемого содержания в процессе формирования конкретных общих и профессиональных компетенций;

- раскрытия значения изучаемого содержания для будущей профессиональной деятельности;

1. Вводный инструктаж

1.1. Проверка наличия обучающихся. Повторение техники безопасности в кабинете информатики.

Начинаем занятие. Отметим отсутствующих на занятие и проверим вашу готовность к занятию на наличие тетрадей.

1.2. Целевая установка на урок.

Сегодня у нас новая тема «Три стандарта семейства IEEE 802: классическийEthernet (802.3), шина с маркером 802.4 и кольцо с маркером 802.5 или TokenRing», запишите тему занятия в тетрадях.

Обучающиеся записывают тему занятия.

Эта тема имеет большое профессиональное значение. Она направлена на формирование такой компетенции как «организовывать собственную деятельность выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество».

2. Изучение нового учебного материала (способов действий).

Цели для преподавателя:

- обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

-способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы.

Цели для обучающихся:

- рассмотреть стандарты семейства IEEE 802: классический Ethernet (802.3), шина с маркером 802.4 и кольцо с маркером 802.5

- познакомиться с историей

- рассмотреть описание протокола

Цели этапа занятия достигаются посредством:

- обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

- определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата;

- организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.

2. Теоретическая часть.

Все стандарты для локальных сетей сконцентрированы в документе IEEE 802. Этот документ разделен на части. IEEE 802.1 содержит введение в стандарты и описание примитивов. IEEE 802.2 описывает протокол LLC (Logical Link Control – управление логическим каналом), который является верхней частью канального протокола. Стандарты с IEEE 802.3 по IEEE 802.5 описывают протоколы CSMA/CD для локальных сетей, шину с маркером и кольцо с маркером. Каждый стандарт покрывает физический уровень и МАС-подуровень. К их изучению мы и переходим.
Стандарт IEEE 802.3 относится к 1-настойчивым протоколам CSMA/CD для локальных сетей. Напомним, что прежде чем начать передачу, станция, использующая такой протокол, опрашивает канал. Если он занят, то она ждет и как только он освободится, она начинает передачу. Если несколько станций одновременно начали передачу, то возникает коллизия. Тут же передача прекращается. Станции ожидают некоторый случайный отрезок времени, и все начинается сначала.
Стандарт IEEE 802.3 имеет очень интересную историю. Начало положила ALOHA. Потом компания XEROX построила CSMA/CD канал на 2,94 Мбит/сек., объединивший 100 персональных компьютеров на 1 километре кабеля. Эта система была названа Ethernet. Ethernet Xerox’а получил такой большой успех, что Xerox, DEC и Intel решили объединиться и создали Ethernet 10 Мбит/сек. Эта разработка и составила основу стандарта IEEE 802.3. Отличие стандарта от оригинальной разработки состояло в том, что стандарт охватывал все семейство 1-настойчивых алгоритмов, работающих со скоростью от 1-10 Мбит/сек. Есть отличия в заголовке кадров. Стандарт определяет также параметры физической среды для 50-омного коаксиального кабеля.
IEEE 802. Кабели.

Всего по стандарту допускается четыре категории кабелей. Исторически первым был так называемый «толстый» Ethernet - 10Base5. Это желтого цвета кабель с отметками через каждые 2,5 метра, которые указывают, где можно делать подключения. Подключение делается через специальные розетки с трансивером, которые монтируются прямо на кабеле. 10Base5 означает, что кабель обеспечивает пропускную способность на 10 Мбит/сек., использует аналоговый сигнал, и максимальная длина сегмента равна 500 метров.

Вторым исторически появился кабель 10Base2 - «тонкий» Ethernet. Это более простой в употреблении кабель с простым подключением через BNC-коннектор. Этот коннектор представляет собой Т-образное соединение коаксиальных кабелей. Кабель для тонкого Ethernet дешевле. Однако его сегмент не должен превосходить 200 метров и содержать более 30 машин.
Проблемы поиска обрыва, частичного повреждения кабеля или плохого контакта в коннекторе привели к созданию совершенно иной кабельной конфигурации на витой паре. Здесь каждая машина соединена со специальным устройством - хабом (hub) витой парой. Этот способ подключения называется 10Base-T.
Данные три способа подключения показаны на рисунке 4-16. В 10Base5 (рисунок 4-16 (a)) трансивер размещается прямо на кабеле. Он отвечает за обнаружение несущей частоты и коллизий. Когда трансивер обнаруживает коллизию, он посылает специальный сигнал по кабелю, чтобы гарантировать, что другие трансиверы услышат коллизию. Трансивер на кабеле соединяется с компьютером трансиверным кабелем. Его длина не должна превосходить 50 метров. Он состоит из 5 витых пар. Две - для передачи данных к компьютеру и от него, две - для передачи управляющей информации в обе стороны, и пятая пара - для подачи питания на трансивер. Некоторые трансиверы позволяют подключать к себе до восьми машин.
Рисунок 4-16. Три способа подключения по стандарту IEEE 802
Трансиверный кабель подключается к контроллеру в компьютере. На этом контроллере есть специальная микросхема, которая отвечает за прием кадров и их отправку, проверку и формирование контрольной суммы. В некоторых случаях она отвечает за управление буферами на канальном уровне, очередью буферов на отправку, прямой доступ к памяти машины и другие вопросы доступа к сети.

У 10Base2 трансивер расположен на контроллере. Каждая машина должна иметь свой индивидуальный трансивер (рисунок 4-16 (b)).
У 10Base-T трансивера нет вовсе (рисунок 4-16 (c)). Машина соединяется с хабом витой парой, длина которой не должна превосходить 100 метров. Вся электроника сосредоточена в хабе.
Наконец, последний вид кабеля 10Base-F - оптоволоконный вариант. Он относительно дорог, но низкий уровень шума и длина одного сегмента - важные достоинства этого кабеля.
Чтобы увеличить длину сегмента, используются репитеры. Это устройство физического уровня, которое отвечает за очистку, усиление и передачу сигнала. Репитеры не могут отстоять более чем на 2,5 км, и на одном сегменте их не может быть более четырех.
Манчестерский код.

Ни одна версия IEEE 802.3 не использует прямого кодирования, т.к. оно очень неоднозначно. Так, например, оно не позволяет однозначно отличить 00100011 от 10001100 или 01000110 без дополнительных усилий на синхронизацию. Нужен был метод, который бы позволял определять начало, середину и конец передачи каждого бита без особой побитной синхронизации. Было предложено два метода для этого: манчестерский код и дифференциальный манчестерский код.
При использовании Манчестерского кода весь период передачи бита разбивается на два равных интервала. При передаче 1 передается высокий сигнал в первом интервале и низкий - во втором. При передаче 0 - наоборот. Такой подход имеет переход в середине передачи каждого бита, что позволяет синхронизироваться приемнику и передатчику. Недостатком такого подхода является то, что пропускная способность канала падает вдвое по сравнению с прямым кодированием.
При использовании дифференциального манчестерского кода при передаче 1 в начале передачи нет различия в уровне с предыдущим интервалом передачи, т.е. нет перепада в уровне в начале каждого интервала, а при передаче 0 - есть. Этот способ кодирования обладает лучшей защищенностью, чем просто манчестерский код, но требует более сложного оборудования.
IEEE 802.3: протокол МАС-подуровня.

Структура кадра в IEEE 802.3 показана на рисунке 4-19. Кадр начинается с преамбулы - 7 байт вида 10101010, которая в манчестерском коде на скорости 10 МГц обеспечивает 5,6 мксек для синхронизации приемника и передатчика. Затем следует стартовый байт 10101011, обозначающий начало передачи.
Рисунок 4-19. Структура кадра IEEE 802.3
Хотя стандарт допускает двух- и шестибайтные адреса, для 10Base используются только 6-байтные. 0 в старшем бите адреса получателя указывает на обычный адрес. Если там 1, это признак группового адреса. Групповой адрес позволяет обращаться сразу к нескольким станциям одновременно. Если адрес получателя состоит из одних единиц - это вещательный адрес, т.е. этот кадр должны получить все станции в сети.

Другой интересной возможностью адресации является различение локального адреса и глобального. На то, какой адрес используется, указывают 46 бит. Если этот бит 1 - это локальный адрес, который устанавливает сетевой администратор и вне данной сети этот адрес смысла не имеет. Глобальный адрес устанавливает IEEE и гарантирует, что нигде в мире нет такого второго. С помощью 46 битов можно получить 7х10¹³ глобальных адресов.
Поле длины указывает на длину поля данных. Она может быть от 0 до 1500 байт. То, что поле данных может иметь длину 0, вызывает проблему для обнаружения коллизий. Поэтому IEEE 802.3 предписывает, что кадр не может быть короче 64 байт. Если длина поля данных недостаточна, то поле Pad компенсирует нехватку длины.
Ограничение на длину кадра связано со следующей проблемой. Если кадр короткий, то станция может закончить передачу прежде, чем начало кадра достигнет самого отдаленного получателя. В этом случае она может пропустить коллизию и ошибочно считать, что кадр доставлен благополучно. Пусть τ - минимальное время распространения сигнала до самой удаленной станции. Тогда минимальная длина кадра должна быть такой, чтобы время передачи кадра такой длины занимало не менее 2τ секунд. Для IEEE 802.3 (2,5 км и четырех репитерах) это время равно 51,2 мксек., что соответствует 64 байтам. При больших скоростях длина кадра должна быть еще больше. И это становится проблемой при переходе на высокие скорости передачи.
Последнее поле - контрольная сумма, которая формируется с помощью CRC-кода. Мы рассматривали эти коды в главе 3.
Двоичный экспоненциальный алгоритм задержки.

Теперь рассмотрим, как определяется случайная величина задержки при возникновении коллизий. При возникновении коллизии время разбивается на слоты длиной, соответствующей наибольшему времени распространения сигнала в оба конца (2τ). Для 802.3, как уже было указано, это время при длине линии 2,5 км и четырех репитерах равно 51,2 мксек.
При первой коллизии станции, участвовавшие в ней, случайно выбирают 0 или 1 слот для ожидания. Если они выберут одно и то же число, то коллизия возникнет опять. Тогда выбор будет происходить среди чисел 0, 2ⁱ, 1, где i - порядковый номер очередной коллизии.
После 10 коллизий число слотов достигает 1023 и далее не увеличивается, после 16 коллизий Ethernet-контроллер фиксирует ошибку и сообщает о ней более высокому уровню стека протоколов.
Этот алгоритм называется алгоритм двоичной экспоненциальной задержки. Он позволяет динамически подстраиваться под число конкурирующих станций. Если для каждой коллизии случайный интервал был бы равен 1023, то вероятность повторной коллизии для двух станций была бы пренебрежимо мала. Однако среднее время ожидания разрешения коллизии было бы сотни слотов. Если бы случайный интервал был бы постоянно 0 или 1, то при 100 станциях разрешение коллизии потребовало бы годы, так как 99 станций должны были бы случайно выбрать, скажем, 0 и лишь одна - 1.
Производительность IEEE 802.3.

Здесь мы рассмотрим производительность 802.3 при условии плотной и постоянной нагрузки. У нас есть k станций, всегда готовых к передаче. С целью упрощения анализа при коллизиях мы будем рассматривать не алгоритм двоичной экспоненциальной задержки, а постоянную вероятность повторной передачи в каждом слоте. Если каждая станция участвует в состязаниях в слоте с вероятностью p, то вероятность А, что некоторая станция захватит канал в этом слоте, равна

А достигает максимума при p=1/k , А→1/е при k→∞. Вероятность, что период состязаний будет иметь j слотов, равна A(1-A)^j-1. Отсюда среднее число слотов в состязаниях равно

Так как каждый слот имеет длительность 2τ, то средний интервал состязаний w равен 2τ/А. Предполагая оптимальное значение р, w е 5.4 . Если передача кадра средней длины занимает m сек, то при условии большого числа станций, постоянно имеющих кадры для передачи, эффективность канала равна


Из этой формулы видно, что чем длиннее кабель, тем хуже эффективность, т.к. растет длительность периода состязаний. При длительности 51,2 мксек, что соответствует 2,5 км при четырех репитерах и скорости передачи 10 Мбит/сек., минимальный размер кадра - 512 бит, или 64 байта. Хотя с ростом длины кадра эффективность канала растет, время задержки кадра в системе также увеличивается.
Стандарт 802.3 получил очень широкое распространение. Однако там, где возникала потребность в режиме реального времени, он вызывал нарекания. Во-первых, потому что с ненулевой вероятностью станция может ожидать сколь угодно долго отправки кадра. В стандарте нет понятия приоритета кадра, что очень важно для приложений реального времени.
Простейшая система с заранее известным наихудшим случаем ожидания - кольцо. Если есть n станций, соединенных в кольцо, и передача кадра занимает Т сек., то максимальное время ожидания передачи кадра будет не более nT. Специалистам по системам реального времени нравилась идея кольца, но не нравилась ее физическая реализация. Во-первых, кольцо не надежно - обрыв в одном месте разрушает всю систему. Во-вторых, оно плохо соответствовало топологии многих сборочных линий на заводах. В результате был разработан стандарт, который объединял достоинства 802.3 с гарантированным наихудшим временем передачи и приоритетностью кадров.
Этот стандарт был назван 802.4 и описывал шину с маркером. Физически шина с маркером имеет линейную или древовидную топологию. Логически станции объединены в кольцо (рисунок 4-22), где каждая станция знает своего соседа справа и слева. Когда кольцо инициализировано, станция с наибольшим номером может послать первый кадр. После этого она передает разрешение на передачу кадра своему непосредственному соседу, посылая ему специальный управляющий кадр - маркер. Передача кадра разрешена только той станции, которая владеет маркером. Так как маркер один, то всегда только одна станция может осуществлять передачу, и коллизий не возникает.
Рисунок 4-22. Маркерная шина


Важно отметить, что на порядок передач влияет только логические номера станций, а не их физическое размещение. Маркер передается только логическому соседу. Естественно, протокол должен учитывать случай, когда станция подключается к кольцу в ходе функционирования.

802.4 МАС - очень сложный протокол, который поддерживает 10 таймеров и более 24 внутренних переменных. Его описание занимает более 200 страниц.
На физическом уровне 802.4 использует коаксиальный 75-омный кабель, три разные схемы аналоговой модуляции, скорость передачи - 1,5 и 10 Мбит/сек. Он полностью несовместим с физическим уровнем 802.3.

Сравнение 802.3, 802.4 и 802.5.

Начать следует с того, что все три стандарта используют примерно одинаковую технологию и имеют примерно одинаковую производительность. Инженеры могут бесконечно спорить о том, что лучше - коаксиал или витая пара, но рядовому пользователю, компьютерному обывателю это, как правило, не важно.
Достоинства 802.3

1. Очень широко используется, имеет огромную инсталляционную базу.

1. Широко известен, многие инженеры знают как с ним работать.

1. Протокол простой.

1. Станция может быть подключена без остановки сети.

1. Используется пассивный кабель, модемы и прочее оборудование не требуется.

1. При малой загрузке задержки практически равны 0.

Недостатки 802.3

1. Есть значительный аналоговый компонент.

1. Минимальная длина кадра 64 байта.

1. Не детерминирован, что плохо для приложений реального времени.

1. Нет приоритетов.

1. Ограничена длина кабеля.

1. С ростом скорости передачи время состязаний не сокращается, следовательно минимальная длина кадра растет.

Достоинства 802.4

1. Используется обычный телевизионный кабель, высоко надежный.

1. Более детерминирован чем 802.3.

1. Минимальная длина кадра короче.

1. Поддерживает приоритеты.

1. Есть гарантированная доля трафика.

1. Прекрасная эффективность и пропускная способность при высокой загрузке.

1. Коаксиальный кабель может поддерживать несколько каналов.

Недостатки 802.4

1. Используется много аналоговой аппаратуры.

1. Очень сложный протокол.

1. Большие задержки при низкой загрузке.

1. Используется относительно немногими пользователями.

1. Нельзя использовать оптоволокно.

Достоинства 802.5

1. Использует соединения точка-точка: полностью цифровое и простое в обращении.

1. Можно использовать любую физическую среду - от почтовых голубей до оптоволокна.

1. Стандартная витая пара дешева и проста в обращении.

1. Наличие кабельного центра делает кольцо с маркером единственным стандартом, где нарушения физической среды могут восстанавливаться автоматически.

1. Есть приоритеты, однако схема их установки не так справедлива, как в шине с маркером.

1. Небольшой размер минимального кадра и неограниченный размер передаваемого кадра.

1. Прекрасная пропускная способность при высокой загрузке, как и у 802.4.

Недостатки 802.5

1. Основной недостаток - наличие централизованного монитора, который является критическим компонентом.

1. Из-за схемы передачи маркера относительно большие задержки при небольшой загрузке.

Таким образом, все три платформы более или менее равны, и дело, скорее всего, будут решать отдельные нюансы, значения параметров, особенности конкретных приложений.
Стандарт IEEE 802.2: управление логическим каналом.

До сих пор мы ни слова не сказали о надежности коммуникаций через 802.х. Как правило, сети типа 802 обеспечивают дейтаграммный сервис. Иногда этого достаточно. Например, при передаче IP-пакетов никаких гарантий не требуется и не предполагается. Поэтому IP-пакет просто вставляется в кадр и передается. Если он потерялся, то так тому и быть.
Тем не менее, есть системы, где нужен контроль ошибок, а управление потоком весьма желательно. IEEE создало такой протокол, который работает над всеми 802.х. Он называется LLC (Logical Link Control). Он скрывает различия между версиями 802, определяя единый интерфейс и формат для сетевого уровня. LLC-протокол образует верхний уровень канального протокола с МАС-протоколом под ним так, как это показано на рисунке 4-29.
LLC предоставляет три вида сервиса: ненадежный: дейтаграммы без уведомления, дейтаграммы с уведомлением и надежный сервис, ориентированный на соединение.
Рисунок 4-29. Действие LCC-протокола: (а) его расположение; (b) форматы протокола

4. Задание на дом.

Цели для преподавателя:

- провести анализ и оценку успешности достижения цели урока, перспектив последующей работы;

- мобилизовать обучающихся на рефлексию результатов учебной деятельности;

- поставить цели самостоятельной работы для обучающихся (что должны сделать обучающиеся в ходе выполнения домашнего задания).

Цели для обучающихся:

- уяснить цели и содержание домашнего задания.

Цели этапа урока достигаются посредством:

- достижения открытости обучающихся в осмыслении своих действий и самооценки;

- определения для обучающихся содержания и объема домашнего задания.

4.Заключительная часть. Подведение итогов, выставление отметок.

Сегодня мы с вами: рассмотрели стандарты семейства IEEE 802: классический Ethernet (802.3), шина с маркером 802.4 и кольцо с маркером 802.5, познакомились с историей стандартов, рассмотрели описание протоколов.

Задание. К следующему занятию выучите лекцию. Составить инструкционную технологическую карту.