книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

или фреймами (рис. 2.1). Каждый из таких пакетов содержит всю необходимую информацию (например, адреса передающей и принимающей станций, собственно данные, а также информацию для выявления ошибок). Пакет посылается как блок, он может содержать от 64 до 1526 байт.

На рис. 2.1 представлен формат фрейма по стандарту IEEE 802.3. Преамбула – 7 байт для синхронизации станций (101010...101010). SD (Start Delimiter) – разделитель перед стартом (1 байт для обеспечения реакции перехода (10101011)). Адрес назначения (адрес приемника) – 6 байт для идентификации станции назначения (MAC-адрес). Адрес источника – 6 байт для идентификации исходных данных станции назначения (MAC-адрес). Длина – 2 байта (длина блока). Блок данных – 46–1500 байт (пользовательские данные). Данный блок содержит данные и заголовок, которые должны передаваться

сболее высоких уровней. Он содержит:

♦DSAP (Destination Service Access Point) – точку доступа

кслужбе в станции назначения (1 байт);

♦SSAP (Source Service Access Point) – точку доступа к служ-

бе в источнике (1 байт);

♦Инфо – блок управления (Control Block) (1 байт);

♦Data (данные) – пользовательскиеданные(переменнаядлина).

Контрольная сумма (Checksum) – 4 байта (контрольная сумма генерируется для контроля корректности переданных данных).

Рис. 2.1. Пакет данных в сети Ethernet IEEE 802.3

121

2.3. MAC-АДРЕС

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер – MAC-адрес, закодированный в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придется настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (2^24) адресов и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Таким образом, по трем старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Для этого существуют таблицы, в частности, они включены в программы типа

Arpalert.

Некоторое время назад, когда сетевые карты не позволяли изменить свой MAC-адрес, некоторые провайдеры Internet использовали его для идентификации машины в сети при учете трафика. Однако все современные сетевые платы позволяют программно изменить MAC-адрес. Программы из пакета Microsoft Office, начиная с версии MS Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора.

Каждая станция должна иметь свой адрес, посредством которого к ней может быть организован доступ. Каждый Ethernetинтерфейс имеет назначенный производителем адрес, который является фиксированным и уникальным во всем мире. Этот адрес называется аппаратным, или MAC-адресом (Media Access Control – управление доступом к среде). Его также называют Ethernetадресом, адресом станции, физическим адресом или адресом сете-

122

вой карты. Адрес сохраняется в сетевой карте и используется для идентификации ее в локальной сети. Благодаря кооперации между производителями гарантируется уникальность адреса во всем мире. MAC-адрес имеет фиксированную длину, равную 48 битам (6 байтам). Первые три байта используются для идентификации производителя устройства, остальные биты – по усмотрению производителя. Чтобы гарантировать уникальность адресов сети, Ethernet-адреса обычно кодируются (прошиваются) производителями и в дальнейшем не могут быть изменены.

Простейшим способом определения MAC-адреса для Ethernetустройств является рассмотрение штампа (метки) на сетевой карте или на корпусе коммуникационного процессора. Лист красного цвета с гарантированно уникальным Ethernet-адресом для данного устройства также может быть приложен к устройству при поставке. Этот адрес затем должен быть назначен для Ethernet-станции с помощью сопровождаемой утилиты конфигурации.

Такой штамп (метка) обычно отсутствует на сетевых картах для ПК. В зависимости от используемой ОС существуют различные возможности для определения и отображения на экране монитора аппаратного адреса. Для этого в системах Windows можно запустить нижеуказанную команду в DOS-режиме. Сначала производится активация командной строки:

Start (Пуск) → Run (Выполнить) → cmd,

затем – собственно ввод команды: ipconfig/all.

2.4. ФУНКЦИИ ДЛЯ ETHERNET-УСТРОЙСТВ

Автосогласование обеспечивает обмен параметрами между двумя компонентами, включенными в сегмент сети, и применение этих параметров для настройки соответствующим образом коммуникационных данных. Для обеспечения точной конфигу-

123

рации имеется также возможность деактивации процедуры автосогласования.

Польза процедуры автосогласования заключается в том, что она обеспечивает беспроблемное взаимодействие всех Ethernetкомпонентов. Классические Ethernet-компоненты, которые не поддерживают данную функцию, тем не менее могут совместно работать с новыми компонентами, поддерживающими ее. Устройства с автосогласованием должны уметь по крайней мере переключаться между фиксированными значениями скорости передачи – 100 Мбит/с (полудуплекс) и 10 Мбит/с (полудуплекс).

Автоопределение (autonegotiation) – автоматическое распо-

знавание скорости обмена, дающее возможность определения свойств сетевых узлов (терминалов данных и сетевых компонентов) для автоматического определения скорости передачи данных (10 или 100 Мбит/с) и установки возможного значения для этих устройств. Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнера,

и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие

вустройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать с помощью технологий 10BASE-T и 100BASE-TX,

а порт Ethernet 10/100/1000 поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Автокроссоверная функция интерфейса MDI/MDIX обеспе-

чивает возможность простого и легкого подключения внешних кабелей в сети Ethernet. Функция автокроссовера предотвращает ошибки неправильного подключения кабелей, когда кабели для передачи данных подключаются вместо кабелей для приема данных и наоборот. Таким образом, для пользователя упрощается выполнение соединений.

Ethernet и стек протоколов TCP/IP (рис. 2.2) представляют собой стандарты для Internet, что повышает их востребованность для промышленных приложений. СтекпротоколовTCP/IP насетевом

124

Рис. 2.2. Модель ISO/OSI и стек протоколов TCP/IP (Internet)

и транспортном уровнях имеет протоколы TCP (протокол управления передачей), IP (обеспечение доставки данных по определенному адресу в сети).

2.5. СЕТЕВЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ ПРОТОКОЛЫ

2.5.1. Интернет-протокол IP

Интернет-протокол (IP – Internet Protocol) в версиях IPv4 и IPv6 обеспечивает адресацию и маршрутизацию пакетов данных от передатчика к приемнику через несколько сетей. IP – это адресный компонент комплекта TCP/IP. Каждая станция, которой необходимо установить коммуникационную связь с другой станцией, идентифицируется уникальным IP-адресом. Этот адрес можно сравнить с почтовым адресом на конверте: с помощью него распознается целевое устройство, к которому затем может быть послан пакет данных, причем независимо от пути прохождения этого пакета

(Ethernet, Tokenring, ISDN).

125

Пакеты данных с использованием IP-протокола называются дейтаграммами. Протокол IP – это служба без прямого соединения, причем на IP-уровне ни корректность данных, ни последовательность, ни полнота, ни однозначность дейтаграмм не проверяются

(Unreliable Datagram Service). IP-протокол не предусматривает ме-

ханизмов квитирования. Надежная, ориентированная на коммуникационное соединение технология поддерживается на уровне протоколов TCP.

IP-дейтаграмма состоит из заголовка пакета, за которым следует блок данных, имеющий формат, например, Ethernet-фрейма. Для выполнения своих функций IP определяет собственный формат пакета, минимальная длина которого должна быть равна 20 байтам.

Важнейшие блоки IP-пакета показаны на рис. 2.3. Информацию о других блоках можно найти в соответствующей литературе.

На рис. 2.3 длина пакета – общая длина дейтаграммы, включая заголовок, составляет 576–65535 байт. Передатчики и приемники в ТСР/IР-сетях идентифицируются 32-битным адресом (IP-адрес), который уникален во всем мире. Исходный (Source) IP-адрес – адрес стан- ции-источника. Целевой (Destinatton) IP-адрес – адрес станции назначения. Данныепользователя– блокданныхпеременнойдлины.

Рис. 2.3. Структура IP-пакета

126

2.5.2. Формат IP-адреса

IP-адресация определяет логические сетевые адреса для комплекта протоколов TCP/IP. IP-адрес– это фиксированный компонент интернет-протокола (IP); он является независимым от используемого оборудования, производителя или физической среды сети. IP-адрес используется как IP-адрес приемника (адрес принимающей станции) и источника (адрес передающей станции) в каждом пакете данных, передаваемом с использованием IP-протокола. Для обеспечения однозначно определенного приемника пакета данных каждой станции требуетсясвойуникальный адрес(рис. 2.4).

Рис. 2.4. Деление IP-адреса на адрес сети и адрес станции

Каждая станция, подключенная к Ethernet-сети, должна обладать определенным IP-адресом. Как протокол 3-го уровня сетевой модели ISO/OSI IP-протокол является аппаратно независимым и позволяет гибко настраивать адреса. По сравнению с коммуникациями, на канальном уровне, где приборам назначаются фиксированные MAC-ад- реса, вEthernet-сетинеобходимоточноназначатьадресаустройств.

Действующая в настоящее время четвертая версия протокола IP (IPv4) использует диапазон адресов до 32 бит (4 байта), а версия IPv6 расширяет адресное пространство до 48 бит (6 байт).

Каждый байт записывается в десятичном виде и отделяется от других байтов точкой (табл. 2.1). Получается структура, в которой вместо байтов х.х.х.х должны быть записаны числа от 0 до 255 (на-

пример, 192.168.147.112).

127

				Таблица 2 . 1
	IP-адреса по классам сетей
Класс	ДиапазонIP-адресов	ID сети,	ID хоста,		Маска
сети		байты	байты		подсети
А	0.0.0.0–127.255.255.255	1	3		255.0.0.0
В	128.0.0.0–191.255.255.255	2	2		255.255.0.0
С	192.0.0.0–223.255.255.255	3	1		255.255.255.0

IP-адрес всегда состоит из двух (скрытых) частей: идентификационного номера сети (network ID) и идентификационного номера хост-станции (host ID). Идентификатор ID сети используется для адресации сети, а ID станции – для адресации станции внутри сети (см. рис. 2.4). Это дает преимущество в том, что множество компьютеров может быть объединено в группы, что облегчает поиск определенного ПК. Телефонные номера имеют похожую структуру. Это также сравнимо с кодом области и с индивидуальным номером абонента.

Маска подсети была введена для обеспечения разделения IP-адреса на сетевой компонент и компонент соответствующей станции. Маска подсети имеет такую же структуру, как IP-адрес, но она определяет только часть IP-адреса, соответствующую номеру сети (компонент сети). Стандартные маски подсети, показанные в табл. 2.1, относятся к сетям классов А, В и С в строках с раздельным указанием адресов сети и станции.

Необходимо отметить, что все устройства, подключенные посредством коммутаторов, находятся в одной и той же подсети. Подсеть организуется посредством разделения всех возможных IP-адресов на парциальные сети. Логическое разделение сети на подсети обычно соответствует физическому разделению сети на локальные парциальные сети. Разделение класса сети на дополнительные подсети с использованием масок сети называется subnetting. Все устройства в подсети могут иметь непосредственную коммуникационную связь друг с другом. Маска подсети идентична для всех устройств в одной подсети. Размер подсети физически ограничен маршрутизатором.

128

2.5.3. Классы IP-адресов

Чтобы обеспечить возможность использования большого количества адресов с определенным порядком и структурой, все адреса подразделяются на так называемые сетевые классы. IP-адреса разделяются на пять сетевых классов, обозначаемых от A до E. Это дает возможность более эффективного использования IP-адресов при определении станций, адресуемых в каждом классе. Маска подсети определяет компонент IP-адреса, представляющий идентификатор сети (ID сети), и компонент IP-адреса, представляющий идентификатор хоста (ID хоста): биты IP-адреса, принадлежащие идентификатору сети, определяются маской подсети со значениями 1 (в двоичной форме), тогда как биты IP-адреса, принадлежащие идентификатору хоста, определяются маской подсети со значениями 0 (в двоичной форме). Адреса класса D назначаются для групп с большим числом адресов. Этому классу соответствует диапазон адресов 224–239.x.x.x. Классу А соответствует диапазон адресов 240–255.x.x.x.

Перед тем как начать конфигурирование адресов, нужно определить адресное поле, которое будет использоваться для устройств в вашей сети, а также то, как будут назначаться эти адреса. Последующее изменение адресов с целью их исправления будет очень сложным и дорогостоящим. При выборе класса адреса и адреса сети вы должны задать следующие вопросы:

1.Планируется ли подключение вашей сети к общедоступным TCP/IP-сетям для передачи данных?

2.Насколько велика может быть ваша ТСР/IР-сеть с учетом ее развития?

В общем случае можно сказать, что почти любой адрес из всех классов адресов – это правомерный IP-адрес, который может быть использован для конфигурирования TCP/IP-станции. Однако определенные адреса в каждом сетевом классе резервируются для специальных служб и не могут быть использованы для других целей.

Адрес сети. Если адрес станции состоит только из нулей (например, 192.12.31.0 в сетевом классе С), то он указывает на собст-

129

венную сеть и, следовательно, также относится к данной сети. При использовании этого адреса IP-протокол обращается к данной сети по адресу со знакозаменителями (wildcard address). Это означает, что запрашиваются все станции с адресами класса С со структурой 192.12.31.xxx, и эти станции должны дать отклик. Это приводит к перегрузке (flooded) сети требованиями ответов от несуществующих компьютеров, поэтому для таких адресов маршрутизация не выполняется.

Адрес маршрутизатора по умолчанию. Каждая подсеть, ко-

торая связана с другими сетями, содержит по крайней мере один маршрутизатор. В соответствии с договоренностью маршрутизатору всегда назначается первый адрес, следующий за адресом сети. В сетях класса С это x.x.x.1. Это нефиксированное и необязательное правило, поэтому данный адрес может быть изменен по усмотрению пользователя. Однако при этом необходимо учитывать соглашения для назначения IP-адресов.

Локальный адрес обратной связи. Сетевой адрес 127.0.0.1

определяет соответствующий локальный компьютер (адрес обратной связи, или Local Host). Пакеты с адресом 127.0.0.1 немедленно возвращаются назад на передающий компьютер без выхода в сеть. Посылка пакетов по этому адресу используется для тестирования сети, при этом сообщение приходит обратно на станцию. Маска подсети в этом случае равна 255.255.0.0, поэтому сеть никогда не может иметь адреса 127.x.x.x.

Broadcast-адрес – широковещательный адрес (в локальных сетях). Адрес станции, в котором все биты установлены в 1 (например, 192.168.12.255 в сетевом классе С), используется для рассылки сообщений в подсети. При использовании этого адреса данные могут быть переданы всем станциям локальной сети (подсети) или всем станциям непосредственно доступных сетей.

IP-адреса в TCP/IP-сетях общего доступа. Если планируется подключение вашей сети к TCP/IP-сетям общего доступа, то вы не сможете свободно выбирать IP-адреса. Интернет – это пример наиболее крупной TCP/IP-сети. В данном случае все адреса обязатель-

130