Ip (Interenet Protocol)

Межсетевой протокол IP специфицирован в RFC 791. Его основные характеристики перечислены ниже:

• реализует обмен информации пакетами, которые будем называть IP-сегментами (максимальный размер IP-сегмента - 65535 байт);

• является протоколом взаимодействия без установления логического соединения;

• для адресации узлов сети используется адрес длиной 4 байта;

• обеспечивает в случае необходимости фрагментацию IP-сегментов;

• IP-сегменты имеют конечное время жизни в сети;

• не гарантирует надежность доставки IP-сегментов адресату;

• не имеет средств управления интенсивностью передачи IP-сегментов посылающей стороной (flow control);

• не гарантирует правильную последовательность IP-сегментов на принимающей стороне.

Рисунок 3 – Формат заголовка IP-пакета

Версия - 4-хбитовое поле, содержащее номер версии протокола IP (номер текущей версии равен 4);

Длина заголовка- 4-хбитовое поле, содержащее длину заголовка IP-сегмента в 32-битных словах. Минимальная (и типичная) длина заголовка - пять слов.

Тип обслуживания- байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-сегментов. Детальное описание отдельных битов дано ниже:

биты 0...2 - приоритет (precedence - предпочтение) данного IP-сегмента;

бит 3 - требование ко времени задержки (delay) передачи IP-сегмента (0 - нормальная, 1 - низкая задержка);

бит 4 - требование к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 - низкая, 1 - высокая пропускная способность);

бит 5 - требование к надежности (reliability) передачи IP-сегмента (0 -нормальная, 1 - высокая надежность);

биты 6...7 - зарезервированы.

На практике в большинстве реализаций протокола IP данное поле почти всегда равно 0, в UNIX-реализациях это поле не используется вовсе.

Длина сегмента- двухбайтовое поле, содержащее длину (в байтах) всего IP-сегмента, включая длину заголовка. Максимальная длина IP-сегмента (включая заголовок) - 65535 байт. Спецификация IP протокола устанавливает, что что любой узел сети должен быть способен обрабатывать IP-сегменты длиной, по крайней мере, не менее 576 байт (что соответствует 512 байтам данных при возможной длине заголовка до 64 байт). На практике же узлы сети могут обрабатывать IP-сегменты много длинее, чем 576 байт (как правило, допустимая длина IP-сегмента связана с максимальной длиной кадра нижележащего сетевого уровня).

Идентификатор- двухбайтовое поле, содержащее уникальный идентификатор IP-сегмента, присваиваемый ему посылающим узлом. Это поле используется для распознавания фрагментов одного IP-сегмента (в ситуациях, когда в ходе перемещения по глобальной сети единый IP-сегмент был разбит на несколько фрагментов по причине его недопустимо большой длины).

DF, MF - биты, используемые при обработке фрагментированных IP-сегментов.

Если бит DF (Don't Fragment) установлен в 1, то это означает, что IP-сегмент не может быть разбит на фрагменты ни при каких условиях (даже, если он не может быть передан без этого далее к адресату и должен быть уничтожен).

Бит MF (More Fragments) указывает, является (MF=0) или нет (MF=1) данный IP-"подсегмент" последним в цепочке IP-"подсегментов", в которую был преобразован (фрагментирован) исходный IP-сегмент.

Смещение фрагмента - 13-битное поле, используемое только в IP-сегменте, являющемся фрагментом (IP-фрагментом) другого (исходного) IP-сегмента. Это поле содержит смещение данных, содержащихся в IP-фрагменте, по отношению к началу данных исходного IP-сегмента. Смещение измеряется в восьмибайтных единицах, поэтому 13 битов достаточно для представления смещения в IP-сегменте максимальной возможной длины (8 * 2^13 - 1 = 65535).

Время жизни - однобайтовое поле, заполняемое создающим IP-сегмент узлом сети количеством единиц времени жизни IP-сегмента в сети. RFC 791 специфицирует в качестве этих единиц секунды и требует, чтобы каждый транзитный узел сети, через который проходит IP-сегмент, уменьшал содержимое этого поля по крайней мере на 1 (даже при условии, что обработка сегмента на самом деле заняла меньше одной секунды). Таким образом, на практике, время жизни (TTL - Time To Live) - это максимальное количество узлов, которое может пройти до своего уничтожения IP-сегмент.

Каждый IP-модуль на любом узле сети обязан уничтожать IP-сегменты, для которых поле "время жизни" стало равным нулю. Этим предотвращается появление в сети IP-сегментов, "блуждающих" по ней бесконечное время. При этом узлу-источнику уничтоженного IP-сегмента посылается ICMP-сегмент, извещающий об этом событии.

В UNIX-реализациях, как правило, это поле заполняется источником IP-сегмента числом из диапазона 15...30.

Транспорт - поле размером в байт, содержащее идентификатор протокола более высокого (обычно, транспортного) уровня, для которого предназначены данные IP-сегмента.

Контрольная сумма заголовка - двухбайтовое поле, содержащее контрольную сумму заголовка IP-сегмента (обращаем внимание, что для данных IP-сегмента контрольная сумма не подсчитывается; контролировать данные - задача протоколов транспортного уровня).

Поскольку заголовок IP-сегмента содержит поле "время жизни", изменяющее свое значение в каждом узле, через который следует IP-сегмент, то для вычисления контрольной суммы должен использоваться эффективный (а, следовательно, простой алгоритм). Во всех протоколах, входящих в архитектуру TCP/IP, используется так называемая Internet-контрольная сумма, которая представляет собой дополнение 16-битной суммы всех 16-битных слов контролируемой информации.

Адрес источника и адрес приемника - четырехбайтовые IP-адреса узлов сети. Подробно структура IP-адреса описана ниже в "IP-адрес".

Дополнительные данные заголовка - последовательность полей произвольной длины, описывающих необязательные данные заголовка. Такие данные используются для специальных целей (управление сетью, секретность и т.п.).

Данные выравнивания - не имеющие смысла данные, включаемые в заголовок только для выравнивания его длины до границы четырехбайтового слова.

Gigabit Ethernet

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

На рис.4 показана структура уровней Gigabit Ethernet. В Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса GMII. Рисунок 4 - Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet GMII интерфейс.Среданезависимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем. GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные приемник и передатчик, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию (clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий - и еще несколько других сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средазависимых интерфейсов, может подключать например к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса. Подуровень физического кодирования PCS.При подключении интерфейсов группы 1000Base-X, подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8B10B, заимствованное из стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. При подключении интерфейса 1000Base-T, подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование, для обеспечения передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100 метров -линейный код TX/T2, разработанный компанией Level One Communications. Два сигнала состояния линии - сигнал наличие несущей и сигнал отсутствие коллизий - генерируются этим подуровнем. Подуровни PMA и PMD.Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокно. Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определяются 4 различный типа физических интерфейса среды, которые отражены в спецификация стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T), (рис.5). Рисунок 5 - Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

Интерфейс 1000Base-X

Интерфейс 1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel. Fibre Channel - это технология взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-х уровневую архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet

Интерфейс 1000Base-T

1000Base-T - это стандартный интерфейс Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/c. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex). 1000Base-T.

Уровень MAC

Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD, что и его предки Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом. В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена. Опять же в силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным. Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".

Расширение носителя (carrier extension)

Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают "коллизионное окно". В результате, коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если станция желает передать короткий (меньше 512 байт) кадр, то при передаче добавляется это поле - расширение носителя, дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис.6 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

Рисунок 6- Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

Пакетная перегруженность (Packet Bursting)

Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet, и такой же диаметр коллизионного домена. Но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512-64) может расходоваться в холостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность, позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения, (рис.7а). Таким образом среда не замолкает между посылками коротких оригинальных кадров, и ни какое другое устройство сети не может вклиниться в передачу. Такое пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий, поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого своего оригинального кадра, включая расширение носителя, что безусловно увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис.7-б).

Рисунок 7 - Пакетная перегруженность: а) передача кадров; б) поведение полосы пропускания