Технологии нижних уровней (канальный+физический) Лекции 8-13

1. Классификация - поверх телефонной линии Модемное соединение (V.90 и ниже) xDSL PPP - выделенная линия X.25 ISDN ATM Ethernet Toking Ring FDDI PON 1.1. Уровни доступа и агрегации, проводные:

1.2. Беспроводные: Wi-Fi WiMAX LTE Сотовые: GSM, 3G (UMTS, CDMA) и т.п. 2. Магистральные: PDH SDH ATM xWDM Metro Ethernet

Локальные сети Ethernet Лекция 8

Технологии проводных локальных сетей семейства Ethernet Ethernet (10 Мбит/с, рекомендации IEEE 802.3, г.). Среда – коаксиальный кабель или витая пара. Поддерживает топологию «шина» (для коаксиального кабеля) и «звезда» (для витой пары). Fast Ethernet (100 Мбит/с, рекомендации IEEE ). Среда - витая пара и оптоволоконный кабель. Переход на топологию «звезда». Gigabit Ethernet (500 и 1000 Мбит/с, IEEE 802.3z). Среда – витая пара и оптоволоконный кабель. Топология «звезда». 10 G Ethernet и выше – направления разработок и усовершенствования...

Топологические решения Шина (10base-2, 10base-5). Псевдо звезда (10base-T, Fast Ethernet). Базируется на использовании хаба (hub), в котором реализована шина. Сохраняет все недостатки метода доступа CSMA/CD. Звезда (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и выше). Базируется на использовании коммутатора (switch)

Сопоставление моделей OSI и IEEE 802 Область действия стандартовIEEE 802 Протоколы верхних уровней Эталонная модель IEEE 802 Управление доступом к каналу Управление доступом к среде LLC МАС

Подуровни Ethernet LLC (Logical Link Control) – уровень доступа к каналу. Обеспечивает достоверную передачу кадров. Варианты: –LLC1 – без установления соединения, без подтверждения; –LLC2 – с установлением соединения, с подтверждением (вида HDLC); –LLC3 – без установления соединения, с подтверждением. MAC (Media Access Control) – уровень доступа к среде. Обеспечивает совместное использование среды.

Инкапсуляция в кадр Ethernet IP-пакет LLC MAC Физический уровень Сетевой уровень Канальный уровень

LLC-уровень Кадры LLC: –Информационные –Управляющие (с установлением соединения, служебные) –Ненумерованные (без установления соединения, служебные). Все кадры LLC имеют единый формат (HDLC): флаг Адрес точки входа сервиса Управлен. (1 байт) DSAPSSAP Пользовательские данные флаг Флаг – комбинация , обозначает начало и конец кадра LLC DSAP – Destination Service Access Point (получателя) SSAP – Source Service Access Point (отправителя)

Присвоен IEEEПрисвоен локальноU/LI/G 1бит 1бит 22бита24бита I/G: 1-индивидуальный; 0 – групповой U/L: 1- присвоен локально; 0 –присвоен IEEE МАС-уровень. Структура МАС-адреса Взаимосвязь между IP и МАС адресами устанавливается при помощи протокола ARP (Address Resolution Protocol) – преобразует IP-адреса в МАС. В его основе лежит таблица адресов (ARP-таблица). Пример МАС-адреса: 00:0А:21:F0:54:2B

Определение МАС-адреса по IP-адресу: –Ищется IP-адрес в ARP-таблице –Если адрес отсутствует, то посылается широковещательный запрос. –Прослушивается ответ устройства с этим адресом –Обновление ARP-таблицы Информация хранится в таблице в течение 20 мин. Номер портаМАС-адресIP-адресТип адресного соответствия Устройство1 Устройство2 …

Значения поля «Тип адресного соответствия»: –2 – строка не действительна –3 – динамическая привязка –4 – статическая привязка Структура ARP-запроса Тип оборудования Тип протокола Длина МАС-адреса Код операции (запрос или ответ) МАС-адрес отправителя IP-адрес отправителя МАС-адрес получателя IP-адрес получателя Длина адреса протокола (IP) 16

Протоколы начальной загрузки RARP – протокол определения IP-адреса при начальной загрузке. Основан на физическом адресе. BOOTP – протокол начальной загрузки. Реализуется как приложение, а не часть операционной системы. Позволяет назначать IP-адреса в сети на основе протоколов транспортного и сетевого уровней. DHCP – протокол динамического назначения IP-адресов. Используется для модемного доступа или WiFi. Является автоматически конфигурируемым.

Формат кадров Ethernet Преамбула 7+1 байт Адрес назначения 6 байт Адрес источника 6 байт Длина кадра 2 Сервис назначения 1 Данные байт Управление 1 Сервис Источника 1 Контрольная сумма 4 Могут не использоваться

Преамбула – служит для синхронизации сети. Представляет собой комбинацию …. (Манчестерский код представляет собой меандр 10 МГц, 6.4 мкс). Последний байт считается ограничителем кадра (SF) для совместимости технологий семейства Ethernet. Адреса: 6 байт (см. слайд8). Широковещательный адрес (используется, например, для заполнения ARP-таблицы) FF:FF:FF:FF:FF:FF. Поле данных ограничено MTU=1500 байт (Maximum Transfer Unit) с учетом длины заголовка. Контрольная сумма – рассчитывается на основе циклического кода (CRC)

Особенности семейства Ethernet (история связи) Метод доступа к разделяемой среде: CSMA/CD – доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Основные параметры: Частота несущей 10 Гц. Пауза между кадрами 9,6 мкс. Позволяет исключить монопольный захват среды. При обнаружении коллизии посылается jam- последовательность (32 бита). Количество попыток повторной передачи 16. Величина задержки при следующей попытке – случайная величина.

Метод доступа CSMA/CD Идея: все станции в сети прослушивают среду на предмет обнаружения несущей. При отсутствии несущей отправитель передает кадр Ethernet в сеть. В случае обнаружении несущей отправитель ждет 9,6 мкс. Домен коллизий – домен, все машины которого используют общую разделяемую среду. Увеличение количества машин в такой сети приводит к резкому ухудшению производительности за счет неэффективного использования ресурсов. Следствие: наложение ограничения на размер сети: количество рабочих станций и длину сегмента. t 2оборота < t передачи кадра (57,6 мкс для 10Мбит/c) В настоящее время не бывает, т.к. произошел полный переход сетей Ethernet от разделяемой среды (хаб) и коммутируемой.

Обнаружение коллизий (история связи) Причины возникновения коллизий – одновременная передача данных удаленными машинами. В результате возникают перекрестные помехи, приводящие к искажению сигнала и называемые коллизиями. При обнаружении коллизии ближайшая станция посылает в сеть jam-последовательность для усиления сигнала. Это позволяет обнаружить коллизию всем станциям. При обнаружении коллизии отправитель начинает передачу данных через случайный интервал времени. В случае второй и последующих неудачных попыток передачи данных интервал увеличивается в 2 n-1 раза, где n – номер попытки.

Ethernet 10base-5 – толстый коаксиальный кабель, максимальная длина сегмента 500 м. 10base-2 – тонкий коаксиальный кабель, максимальная длина сегмента 185 м. 10base-Т – неэкранированная витая пара, максимальная длина сегмента 100 м. 10base-F – оптоволоконный кабель: –10base-FL –максимальная длина сегмента 2000 м. протяженность сети до 2500 км. –10base-FB –синхронная Ehthernet, для магистральных соединений. Не совместима с 10base-FL Размер кадра от 72 до 1518 байт Ограничение на количество узлов 1024 Длина сегмента до 2 км

Fast Ehternet 100base-TX – неэкранированная витая пара категории 5, двухпарный кабель, до 100м. 100base-T4 – витая пара категории 3, 4, 5; четырехпарный кабель, до 100 м. 100base-FX – многомодовое волокно, окно прозрачности 1350 нм, до 400 м. Совместима с FDDI. Характеристики: –Совместима с 10base-Т, использует метод доcтупа CSMA/CD. Все времена передачи кадров меньше в 10 раз. –Сохраняет уровни LLC и MAC. Для трансляции в 10base-Т вводится расширение SNAP (Subnetwork Access Protocol). –Звездообразная топология, поддержка витой пары. –Сохранение формата кадра Ehternet –Метод кодирования 4В/5В (для 100base-TX и FX).

Отличия от Ehternet 10base: Специальная комбинация idle – Обозначает незанятое состояние среды. Позволяет поддерживать синхронизацию между передатчиком и приемником и контролировать физическое состояние среды. Обязательно использует ESD (End Stream Delimeter) – разграничители потока. Наличие функции автопереговоров для сопряжения с 10base-T (для 100base-TX). Посылается служебный запрос, подтверждение которого означает, что сеть поддерживает Fast Ethernet. В случае отсутствия подтверждения устанавливается связь по 10base. Использует метод кодирования 8В/6Т для 100base- T4 (в этом случае повышается пропускная способность за счет передачи трафика по нескольким витым парам). Максимальная длительность окна коллизий 5,12 мксек (на всякий случай использования хабов)

Gigabit Ehternet 1000Base-SX - многомодовое оптоволокно, до 550м 1000Base-LX – одномодовое или многомодовое оптоволокно, до 5000м 1000Base-СX2 – экранированная витая пара, до 25м. 1000Base-Т4 неэкранированная витая пара категории 5 и выше, до 100м. Характеристики: Кодировка 8В/10B Использование концентраторов (хабов) крайне нежелательно – приводит к ухудшению эффективности сети. Максимальная длительность паузы 33,6 мсек

Позволяет организовывать магистральные участки. Поддерживает высокопроизводительные сервера. Служит основой для построения сетей Metro Длина кадра минимум 512 байт, поддерживает максимальный размер IP- пакета (режим Burst Mode). В платах сетевых адаптеров используется DSP для предотвращения коллизий (вычитание сигналов). Прозрачна для всего семейства Ethernet: cохраняет форматы адресов, метод доступа CSMA/CD, использует те же типы кабелей. Не поддерживает качество обслуживания.

Metro Ethernet Сети Metro – сети масштабов города, могут объединять фрагменты, решенные на основе различных технологий. Metro Ethernet – способ организации сетей Metro на основе технологии Ethernet. В настоящее время считается перспективным. Позволяет существенно расширить класс услуг, например, организовать Интернет- вещание и IPTV. В основе Metro Ethernet находятся «площадки» корпоративных или частных абонентов, построенные на основе Ethernet, что предполагает использование этой технологии и в качестве транспортной сети.

Требования к современным коммутаторам Современные коммутаторы разделяют на управляемые и неуправляемые. –Неуправляемые: хорошо подходят для построения LAN. Не поддерживают дополнительных функций. –Управляемые: интеллектуальные устройства, позволяющие строить корпоративные сети и сети операторов, используются на магистральных участках. Поддерживают дополнительные функции: Поддержка коммутации 3 уровня (с использованием фильтров по протоколам, в том числе транспортным, например, или MPLS). Обеспечение QoS. Поддержка VLAN Поддержка группового вещания (multicasting).

Соединение точка-точка в коммутационной матрице Модуль порта1 Модуль порта 4 Модуль порта 3 Модуль порта 2 Неблокирующий режим работы коммутатора – каждый поток, поступающий на порт коммутатора с определенной скоростью будет передан на другой порт с той же скоростью. Существуют два способа организации коммутационной матрицы: - На основе физической коммутации каналов (баньянова сеть) - На основе общей шины (с временным разделением каналов)

Баньянова сеть – способ организации коммутационной матрицы на основе физической коммутации каналов

Коммутация на основе общей шины (с временным разделением каналов). Производительность шины должна быть равна или больше суммарной производительности портов. Кадр передается по шине фрагментами для избежания блокировки (псевдопараллельный режим). Общая шина Модуль порта 1 Модуль порта 2 Модуль порта 3 Модуль порта 4

Витая пара, оптика и RJ-45 (на сладкое, подробности на Линиях связи) Многопарные кабели имеют под одной внешней защитной оболочкой более 4-ех витых пар. Витая пара – две изолированные медные жилы, скрученные между собой. Категория кабеля зависит от диаметра жилы, шага скрутки и типа изоляции. Бывает 3, 4, 5, 6, 7.

Витая пара бывает экранированной (FTP), т.е. с наличием защитного экрана из фольги, и неэкранированной (UTP). Для обеспечения надежного сообщения кабеля и сетевого устройства используется разъем RJ-45 Многомодовое оптоволокно – по одному волокну передается несколько мод (независимых световых путей), обозначается ММ (MultiMode). Задается диаметром сердцевины (50 или 62.5 мкм). Важной характеристикой является окно прозрачности – длина световой волны, на которой обеспечивается наилучшие характеристики по затуханию. Для оптоволокна используются специальные разъемы, например LC Витая пара UPT 5 с разъемами RJ-45 Многомодовый четырехволоконный кабель с LC-разъемами

Прямая обжимка Используется для соединения компьютера с сетевым устройством.

Кроссоверная обжимка Используется для соединения двух компьютеров или сетевых устройств между собой.

VLAN – виртуальные локальные сети VLAN – сегментированные сети, трафик которых (в том числе широковещательный) полностью изолирован от трафика других сегментов. VLAN строятся на коммутаторах (switch), на основе физических LAN. VLAN позволяют: Повысить производительность каждого сегмента сети за счет обработки только домашнего трафика. Изолировать сегменты сети друг от друга в целях безопасности и управления правами пользователей. Организовать обеспечение QoS на канальном уровне в зависимости от номера VLAN.

Способы организации VLAN 1.Группировка портов – простейший способ: каждому порту коммутатора приписывается номер VLAN, кадры передаются только между портами одной VLAN. Плюс: простота реализации Минус: подходит только для сетей на одном коммутаторе, так как при переходе к коммутатору более высокого уровня теряется информация о номере VLAN. Решение: коммутатор более низкого уровня целиком принадлежит к одной VLAN.

Группировка портов КОММУТАТОР VLAN1 VLAN2 VLAN3 Принадлежат одной VLAN! коммутатор

2.Группировка МАС-адресов. Все МАС- адреса распределены между VLAN, таблицы маршрутизации прописываются системным администратором вручную. Подходит для небольших сетей (админа жалко). 3.С помощью IP – для маршрутизаторов или коммутаторов с поддержкой сетевого уровня. Нумеруются подсети по IP-адресам. Один из самых распространенных способов. Использование маски позволяет упростить работу системного администратора.

Пример VLAN на коммутаторах и маршрутизаторах маршрутизатор коммутатор VLAN1 VLAN2 VLAN1

Добавление меток виртуальных сетей к кадрам канального уровня (IEEE 802.1/Q). Определены 12 типов назначения меток: для трех типов кадров, двух типов сетей и двух типов меток (явных и неявных) Метки добавляются только в кадры, пересылаемые между коммутаторами, к оконечным узлам внутри одной VLAN кадры доставляются без меток. Максимальный размер кадра Ethernet увеличивается на 4 байта: –Поле идентификатора протокола меток для дальнейшей корректной обработки кадра (2 байта) –Поле метки (2 байта).

Адрес назначения Адрес источника ID протокола меток Метка VLAN управление … Приоритет 3 бита Идентификатор VLAN 12 бит 6 байт 2 байта TR-encapsulation (1 бит), указывает на наличие инкапсулированного кадра другого протокола канального уровня Организовывает 8 уровней приоритетов Уникальный номер VLAN

4.Динамическая регистрация – для оконечных узлов, имеющих права на работу в нескольких VLAN. Основана на протоколе GARP – протоколе извещения о передвижении оконечного узла (рабочей станции). Позволяет автоматически перестраивать таблицы маршрутизации или коммутации. Подходит для использования в беспроводных сетях. Является одним из способов организации группового вещания (но не самым лучшим).