КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция 7 Подуровень управления доступом к среде. Ethernet. Коммутация на канальном уровне. Санкт-Петербург, 2012 Александр Масальских

П РОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К СРЕДЕ В E THERNET Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE

П РОТОКОЛ ПОДУРОВНЯ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К СРЕДЕ В E THERNET Преамбула (6.4 мкс для 10мбит) стала 7 байт, последний – разграничитель начала кадра Старший бит поля получателя: 0 – обычные адреса 1 – групповые адреса Соседний со старшим битом (46 бит адреса получателя) определяет локальные или глобальные (IEEE) адреса используются Type – изначально определял протокол сетевого уровня, которому предназначался кадр (стал Length) Data (0-1500) Pad или наполнитель (0-64) Checksum

А ЛГОРИТМ ДВОИЧНОГО ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО ОТКАТА CSMA/CD Один интервал 512 битовых интервалов, 51.2 мкс. После i-го столкновения станция выбирает время ожидания в диапазоне: i -1 После 10 столкновений подряд интервал фиксируется на значении После 16 столкновений попытки прекращаются, генерируется ошибка.

К ОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ E THERNET Active Ethernet hub (Хаб) – активное устройство сетей Ethernet, у которого суммарная пропускная способность входных каналов выше пропускной способности выходного канала. Обычно для объединения входной информации используется множественный доступ с разделением времени. Домен коллизий (или пространство столкновений) – это часть сети Ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду передачи и, следовательно, каждый узел которой может создать коллизию с любым другим узлом этой части сети.

К ОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ E THERNET Коммутатор Ethernet (switching hub, switch) Несколько интерфейсных плат, объединительная плата. Платы с буферизацией.

Б ЫСТРЫЙ E THERNET (F AST E THERNET ) Необходимость обеспечить большую скорость; Необходимость сохранить обратную совместимость с Июнь 1995 года – IEEE объявило о создании стандарта 802.3u.

Б ЫСТРЫЙ E THERNET (F AST E THERNET )

100B ASE -4T Twisted pair cat. 3 (25MHz) Используется 4 пары: Одна на концентратор Одна от концентратора Две оставшиеся – в соответствии с направлением передачи 8B/6T – 8 бит кодируется в виде 6 троичных цифр 3 пары дают 100Мбит/c в одном направлении, сохраняется обратный канал 33.3 Мбит/с

100B ASE -TX Twisted pair cat. 5 (125MHz) Используется 2 пары: 4B/5B – слово из 4 бит кодируется словом из 5 MLT-3 Поддерживает 2 типа концентраторов

100B ASE -FX It uses a 1300 nm near-infrared (NIR) light wavelength transmitted via two strands of optical fiber, one for receive(RX) and the other for transmit(TX). Maximum length is 400 metres (1,310 ft) for half-duplex connections (to ensure collisions are detected), and 2 kilometres (6,600 ft) for full-duplex over multi-mode optical fiber. 100BASE-FX uses the same 4B5B encoding and NRZI line code.

Г ИГАБИТНЫЙ E THERNET (G IGABIT E THERNET ) 1998 год, 803.3z Обратная совместимость Полнодуплексный и полудуплексный режимы Полнодуплексный без CSMA/CD Пакетная передача кадров для полудуплекса.

Г ИГАБИТНЫЙ E THERNET (G IGABIT E THERNET ) 1000Base-T cat. 5 (125 MHz) 8B/10B Ни одно кодовое слово не должно иметь более 4- одинаковых бит подряд Ни в одном кодовом слове не должно быть больше 6 нулей иди 6 единиц Используются все 4 пары PAM-5 кодирование. 5 уровней напряжения. 00, 01, 10, 11 + специальный уровень напряжения 1 мс около 1953 кадров Type 0x PAUSE

Г ИГАБИТНЫЙ E THERNET (G IGABIT E THERNET )

Д ЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ E THERNET (10G E THERNET ) Over the years the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) working group has published several standards relating to 10GbE. These included: 802.3ae-2002 (fiber -SR, -LR, -ER and -LX4 PMDs), 802.3ak-2004 (-CX4 copper twin-ax InfiniBand type cable), 802.3an-2006 (10GBASE-T copper twisted pair), 802.3ap-2007 (copper backplane -KR and -KX4 PMDs) and 802.3aq-2006 (fiber -LRM PMD with enhanced equalization). The 802.3ae-2002 and 802.3ak-2004 amendments were consolidated into the IEEE standard. IEEE and the other amendments were consolidated into IEEE Std

Д ЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ E THERNET (10G E THERNET )

Базовая топология Первоначально было решено разработать новый стандарт на базе спецификации 1000Base-T для неэкранированной витой пары (UTP) – IEEE 802.3ab Напомним, что он предусматривал передачу со скоростью 1 Gbps по витой паре кат. 5е (Cat 5e). По каждой из четырех пар данные передавались со скоростью 250 Mbps в обоих направлениях. Для 10GBase-T базовая топология осталась неизменной с теми же фундаментальными проблемами. Однако при десятикратном увеличении скорости передачи их решение с точки зрения технологической перспективы реализации уровня PHY усложнилось экспоненциально. Тем не менее эти проблемы были преодолены с помощью инноваций в трех широких областях.

Д ЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ E THERNET (10G E THERNET ) сигнализация. Витая пара имеет весьма ограниченную пропускную способность. Преодолеть ограничения можно посредством увеличения количества передаваемых бит в одном символе. К этому добавляется улучшенная схема кодирования. При скорости сигнализации 800 MPps (MegaPulses per Second) была выбрана 16-уровневая импульс-но-амплитудная модуляция PAM16 со звездной диаграммой (двухмерной совокупностью точек) DSQ128, дающей 3,5 бита на символ (импульс); упреждающая коррекция ошибок (Forward Error Correction – FEC). Более мощная техника FEC позволяет повысить эффективность кодирования по сравнению с этим процессом в Gigabit Ethernet. Этого удалось достичь с помощью контроля четности с низкой плотностью (Low Density Parity Check – LDPC); каблирование. Основной проблемой здесь остаются перекрестные помехи. Внешние наводки от соседних кабелей являются неустранимым источником шума. Для достижения длины канала 100 м необходимо использовать кабель кат. 6.

Д ЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ E THERNET (10G E THERNET ) Витая медная пара Этот тип проводки имеет ряд слабых мест, которые следует устранить при разработке 10GBase-T. При скорости сигнализации 800 MPps получение необходимого отношения сигнал/шум возможно лишь в том случае, если значительно снизить мощность шума на входе приемника. Именно здесь и приходит на помощь UTP Cat 6. Минимизация перекрестных помех достигается посредством следующих методов: плотное скручивание, уменьшающее также потери на излучение посредством лучшего удержания поля; переменный шаг скручивания между четырьмя парами, что минимизирует связь на определенных частотах; увеличение диаметра кабеля, которое позволяет уменьшить перекрестные помехи от соседних кабелей; использование средств контроля геометрии кабеля с помощью пластиковых разделителей пар.

Д ЕСЯТИ ГИГАБИТНЫЙ E THERNET (10G E THERNET ) Основные элементы 10GBase-T PHY В передатчике ими являются скремблер, кодировщик LDPC, преобразователь DSQ128 (многоуровневый линейный код PAM16), предварительный кодировщик (по схеме Томлинсона–Харашимы) и оконечные цепи В приемнике ими являются аналоговый входной каскад (Analog Front End – AFE), цифровой сигнальный процессор (DSP), формирователь кадров, LDPC- декодировщик и дескремблер. AFE для каждой витой пары содержит усилитель с переменным коэффициентом усиления и фиксированный фильтр. После них сигналы поступают на АЦП. Его разработка довольно сложна, поскольку приемник требует вплоть до 11 эффективных бит при скорости дискретизации 800 MPps.

100 G IGABIT E THERNET 100 Gigabit Ethernet (or 100GbE ) and 40 Gigabit Ethernet (or 40GbE ) are high-speed computer network standards developed by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). They support sending Ethernet frames at 40 and 100 gigabits per second over multiple 10 Gbit/s or 25 Gbit/s lanes. Previously, the fastest published Ethernet standard was 10 Gigabit Ethernet. They were first studied in November 2007, proposed as IEEE 802.3ba in 2008, and ratified in June Another variant was added in March 2011.

100 G IGABIT E THERNET

8P8C The 8P8C (8 position 8 contact, also backronymed as 8 position 8 conductor) is a modular connector commonly used to terminate twisted pair and multiconductor flat cable. These connectors are commonly used for Ethernet over twisted pair, registered jacks and other telephone applications, RS-232 serial using the EIA/TIA 561 and Yost standards, and other applications involving unshielded twisted pair, shielded twisted pair, and multiconductor flat cable.

8P8C

MDIX

802.2 LLC 802 предполагает дейтаграмный сервис Для работы с системами, требующими защиту от ошибок и управление потоком, был разработан LLC (Logical Link Control)

802.2 LLC Сетевой уровень передаёт пакет LLC, LLC добавляет к нему свой заголовок, содержащий порядковый номер и номер подтверждения. Полученная структура помещается в поле данных кадра 802.x. Три варианта сервисов: Дейтаграммный Дейтаграммный с подтверждениями Ориентированный на сеоединение

802.2 LLC Заголовок LLC содержит 3 поля: Целевая точка доступа (DSAP 1 байт) Исходная точка доступа (SSAP 1 байт) Контрольное поле (Содержит порядковые номера и номера подтверждений) SNAP (SubNetwork Access Protocol) DSAP SSAP = 0xAA Тогда после контрольного поля ещё два поля Первое – 3 байта – код организации Второе – 2 байта – код протокола

802.2-SNAP IP 0x8137 IPX 0x8137 AppleTalk0x809b TCP/IP почти не использует дополнительные возможности LLC, некоторые другие протоколы – используют (Novell)

К ОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Локальные сети объединяются мостами, работающими на уровне передачи данных. Анализируют адреса, в кадрах этого уровня и в соответствии с ними, осуществляют маршрутизацию.

К ОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Причины использования мостов: 1. Объединение ранее изолированных ЛВС 2. Соединение географически разнесенных ЛВС 3. Разбиение сетей на сегменты 4. Преодоление максимально разрешенного диаметра ЛВС 5. Повышение отказоустойчивости (в случае флуда) 6. Повышение безопасности ЛВС

К ОММУТАЦИЯ НА УРОВНЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

М ОСТЫ МЕЖДУ 802. X

Проблемы мостов: 1. Различия в формате кадров (требуется переформатирование кадров ) 2. Скорости объединяемых сетей могут различаться, объединение больше 2 сетей равной скорости 3. Различные ЛВС имеют разную максимальную длину кадра. При использовании прозрачных мостов слишком длинные кадры будут игнорироваться. 4. Вопросы шифрования на уровне передачи данных 5. Механизмы приоритезации данных

Л ОКАЛЬНОЕ МЕЖСЕТЕВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В простейшем случае прозрачный мост работает в беспорядочном режиме В более сложном варианте, мост решает перенаправлять или нет пришедший кадр и куда В мосты встраиваются хэш-таблицы Если мост не знает, куда отправлять кадр, он посылает его всем сетям (алгоритм заливки) Алгоритм «противоточного обучения» Записи в хэш-таблицах живут определенное время

Л ОКАЛЬНОЕ МЕЖСЕТЕВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Процедура обработки кадра: Если сеть отправителя и сеть получателя совпадают – игнорируем Если сеть отправителя и сеть получателя различны – кадр перенаправляется в нужную сеть Если сеть получателя не фигурирует в хэш- таблице, используем алгоритм заливки.

М ОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА Для увеличения надёжности, используется сразу несколько мостов, объединяющих сети

М ОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА Возникают петли, которых не должно быть в топологии Требуется установить связь между мостами и наложить связующее дерево, покрывающее все сети на действующую топологию Граф сети с петлями можно редуцировать до связующего дерева

М ОСТЫ СВЯЗУЮЩЕГО ДЕРЕВА

Чтобы построить дерево, надо выбрать корень Мосты имеют серийный номер Каждый мост рассылает кадры со своим серийным номером Корнем становится мост с наименьшим номером Затем строится дерево кратчайших путей от корня к каждому мосту и каждой сети. Это дерево и будет связующим Дерево поддерживается динамически обновляется в соответствии с реальной топологией

S PANNING T REE P ROTOCOL 802.1D Распределённый алгоритм построения связующего дерева был предложен Радием Перлманом STP стандартизован и имеет идентификатор IEEE 802.1D Поддерживается многими управляемыми коммутаторами

У ДАЛЕННЫЕ МОСТЫ С помощью мостов и линий точка-точка, работающих на больших дистанциях, можно соединить ЛВС в одну

С ЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА

В ИРТУАЛЬНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

Методы 1. Маркировка по порту 2. «Маркировка» по MAC адресам 3. Маркировка по информации из поля данных

802.1Q Изменен формат заголовка Ethernet 802.1Q 1998 год Первое устройство, обрабатывающее кадр вставляет флаг ВЛВС (если флаг не был вставлен отправителем), последнее вырезает (если получатель не знает о существовании 802.1Q)

802.1Q

Требуется строить динамические таблицы, для обеспечения работы ВЛВС коммутаторов Такие таблицы строятся динамически с использованием алгоритма 802.1D

Р ЕЗЮМЕ