Уровни взаимодействия локальных сетей Physical Data Link Network Физическая средаPhysical media Физический уровень LLC: Управление логическим каналом MAC: Управление доступом к среде Протоколы верхних уровней Модель OSI IEEE 803 Область действия стандартов IEEE 802

Functions of Each Layer Physical Layer –Encoding/decoding of signals –Bit transmission/reception –Media Medium Access Control (MAC) Layer –On transmission, assemble data into a frame for transmission –On reception, disassemble frame and perform error detection –Appends physical address of destination computer onto the frame –Coordinate users access to the transmission medium Logical Link Control (LLC) Layer –Provide an interface to upper layers –Perform flow and error control –Line Configuration

Стандарты IEEE802.x See detail -

Types of Media Access Control 3 типа доступа к среде передачи (3 типа MAC протоколов): 1.Случайный доступ ( Ethernet, –Wireless) 2.Детерминированный доступ или маркерная сеть ( –TokenBus, –TokenRing) 3.Детерминированный доступ с учетом приоритетов ( VG-AnyLAN)

Ethernet

Xerox ~1973; DEC & Intel & Xerox -> Ethernet DIX -> standard IEEE 803.3: 1980 Most popular architecture in use today Bus, star, or star-bus based technology Uses baseband signaling Uses CSMA/CD access method (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Network implementations – 10-Mbps Ethernet and IEEE – 100-Mbps Fast Ethernet – 1000-Mbps Gigabit Ethernet – Mbps 10GigE Cable: Thinnet, Thicknet, UTP/STP, Fiber

Ethernet Topology ABCDE Hub A B C D E BusStar-Wired Bus

Ethernet Networks 10Base2 (Thinnet) 10Base5 (Thicknet) 10BaseT (Twisted-pair) 10BaseF (Fiber) 100BaseT (twisted-pair) 100BaseFX (Fiber) Gigabit Ethernet (Fiber or twisted-pair) 10GigE 10GBase ER, LW, SW (Fiber) 10Mbps bandwidth 100Mbps bandwidth 1000Mbps bandwidth 10000Mbps bandwidth

Ethernet (IEEE 802.3) SpeedSignal TypeMedium Type n - MbpsBroad - Broadband Base - Baseband n - 100s meters coaxial cable T meter twisted pair F - fiber optics X - full duplex 100BaseTX

LAN Technology Specifications NameIEEE Standard Data Rate Media TypeMaximum Distance Ethernet Mbps10Base-T100 meters Fast Ethernet/ 100Base-T 802.3u100 Mbps 100Base-TX 100Base-FX 100 meters 2000 meters Gigabit Ethernet/ GigE 802.3z1000 Mbps 1000Base-T 1000Base-SX 1000Base-LX 100 meters 275/550 meters 550/5000 meters 10 Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae 10 Gbps10GBase-SR 10GBase-LX4 10GBase-LR/ER 10GBase- SW/LW/EW 300 meters 300m MMF/ 10km SMF 10km/40km 300m/10km/40km

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Carrier Sense: контроль несущего сигнала Multiple Access: множественный доступ к среде передачи Collision Detection: обнаружение коллизий Физическая среда делится между всеми устройствами, и одновременно передавать сообщение может только одно из них.

Media Access: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Collision Domains Switch Hub Switch Hub Switch Hub Коллизия (collision) искажение передаваемых данных в сети Ethernet, которое возникает при одновременной передаче несколькими станциями Основная причина возникновения - конечная скорость распространения электрического сигнала через среду передачи

Условие корректной работы – четкое распознавание коллизий всеми станциями. Tmin > PDV Tmin – время передачи кадра минимальной длины PDV( Path Delay Value) – время двойного оборота ( 576 bt для Ethernet) Битовый интервал (bt) – время между появлением двух последовательных бит (bt = 100нс в Ethernet; 10нс в Fast Ethernet) Выполнение условия зависит от минимальной длины кадра; пропускной способности сети; диаметра сети (максимальное расстояние между узлами сети); скорости распространения сигнала с учетом задержек, вносимых коммуникационным оборудованием. Полезная пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости Ethernet: 5.48 Mbps для min кадров (64 байт) 9.76 Mbps для max кадров (1518 байт)

Пропускная способность Ethernet В случае большой загруженности сети вероятность возникновения коллизий резко возрастает, и пропускная способность сети уменьшается из- за многочисленных повторных передач. => Не использовать некоммутируемый Ethernet при загрузке более 30-40%.

Сетевое сегментирование Switch Hub Switch Hub Switch Hub Классическая сеть Ethernet - shared media => сеть нового поколения - switched media Cегметообразующая аппаратура коммутируемых сетей: коммутатор второго уровня - switch II, маршрутизирующий коммутатор - switch III (routing switch)

Ethernet Frame Format Preamble + SOF 8 DA 6 SA 6 Type 2 Data FSC 4 Ethernet DIX (II) Frame 802.3/LLC Frame Preamble + SOF 8 DA 6 SA 6 Len 2 LLC Header 3 Data FSC 4 Preamble: 7 синхронизирующих байт SOF (Start of frame byte): DA:Destination MAC SA: Source MAC Type: тип вложенного протокола верхнего уровня Len: длина поля данных в кадре FSC (Frame Check Sequence): поле контрольной суммы, вычисляется по алгоритму СRС-32 */ Распознавание Type/Len по числовому значению: если < Length если > Type

Ethernet Destination Addresses Типы адресов: Unicast (индивидуальный) – определяет конкретного получателя/отправителя кадра Multicast (групповой) – адресует группу хостов. Для поддержки хостом групповых адресов требуется его дополнительная конфигурация Broadcast (широковещательный) – частный случай группового - FF:FF:FF:FF:FF:FF, кадр предназначен ВСЕМ станциям сетевого сегмента Source address – всегда unicast Destination address – может быть любым; тип (unicast или multicast) определяется первым битом старшего байта Dst: 0 – индивид, 1 – групповой Src: всегда 0

Checksum Sum Checksum No error

Cyclic Redundancy Check (CRC) Data CRC DataCRC Polynomial Division 0 = no error Remainder Polynomial Division Remainder _избыточный_код

DSAP SSAP CTRL AA CTRL OUI Ether Type Ether Type Upper Layer Data IP, AppleTalk Upper Layer Data IP, AppleTalk DATA Ethernet Frame Variations Frame Preamble DA SA Length Header and Data Header and Data FCS 802.3/LLC Frame SNAP Frame

Использование коммутаторов для построения VLANs Virtual local area networks (VLANs) –Позволяет объединять отдельные порты в логические группы –Каждая группа - отдельный broadcast domain

Сетевое сегментирование.2 Policy Based VLAN В коммутаторах для определения принадлежности фрейма к коммутирующему сегменту (или к VLAN) могут использоваться битовые поля фрейма. Распространены: MAC address Policy Based VLAN IP Subnet Policy Based VLAN Ethernet TYPE Policy Based VLAN */ Иногда на порт может назначаться сразу несколько политик. Для каждого фрейма работает последовательная проверка политик, если не ни одна не проходит, то фрейм отбрасывается ( DROP)

Сетевое сегментирование.3 Стандарт 802.1Q В стандартный фрейм Ethernet добавляется новое битовой поле, в которое записывается номер VLAN (tag). Для порта конфигурируется новая политика - искать и анализировать данное поле. Традиционно для 802.1Q VLAN реализуется принцип - один порт может принадлежать нескольким VLAN одновременно. Используется на транковых соединениях коммутаторов.

LLCIP802.3 DA 6 byte SA 6 byte Len 2byte DSAP 1byte SSAP 1byte Contr 1byte Data bytes FSC 4byte q LLCIP802.3 DA 6 byte SA 6 byte TypeVLAN 0x byte Pr 3 bit CFI 1 bit VLAN ID 12 bit Len 2byte DSAP 1byte SSAP 1byte Contr 1byte Data bytes FSC 4byte VLAN 802.3q packet format Ethernet Frame IEEE 802.3/LLC (after the Tag) Additional header VLAN 802.3q ( size=4 bytes ): – Ethertype VLAN field carries 0x8100(This means that it is a VLAN tagged frame) – Tag Control Information (2 Byte) User Priority Field (3 Bit) 802.1P Canonical Format Indicator (1 Bit) VLAN ID Identifier (12 Bit) = 4096 different addresses

Протокол покрывающего дерева (Spanning Tree Protocol, STP) Обеспечивает поддержку резервных связей в сети сложной топологии, и возможность ее автоматического изменения. При большой инфраструктуре возможна проблема - неправильная кроссировка (замыкание сегмента в кольцо) может привести к остановке функционирования всей сети или ее части. Для решения используется Spanning Tree Protocol (STP), при котором коммутаторы автоматически создают активную древовидную конфигурацию связей, находя ее с помощью обмена служебными пакетами (Bridge Protocol Data Unit, BPDU), которые помещаются в поле данных кадра Ethernet. В результате, порты, на которых замыкаются петли, блокируются, но могут быть автоматически включены в случае разрыва основного канала.

10BaseT Ethernet (Twisted-Pair) specification: IEEE (1981) speed: 10 Mbps access method: CSMA/CD topology: physical star; logical bus applications: LAN variable frame size : Bytes media: cable category 3, 4, or 5 UTP maximum segment length: 100 meters Maximum segments1024 Maximum nodes per network Maximum hubs in a chain4 RJ-45 connectors Signal Encoding: Manchester encoding

Fast Ethernet specification: IEEE 802.3u (June 1995) speed: 100 Mbps access method: CSMA/CD topology: physical star; logical bus applications: enterprise servers, backbone variable frame size : Bytes Media types: 100BaseTX Uses 2 pairs cable Category 5 UTP, Cat 5E or higher Signal Encoding: 4B/5B 100BaseT4 Uses 4 pairs cable categories 3, 4, & 5 twisted pair Signal Encoding: 8B6T 100BaseFX MM or SM fiber optic cable Signal Encoding: 8B/10B

Структура уровней стандарта Fast Ethernet, MII интерфейс и трансивер Fast Ethernet

Signal encoding: Manchester II, NRZ, MLT-3 100Base-FX 100base-T 10base-T

Fast Ethernet: Signal Encoding

Preview Frame Preamble + SOF DASATypeDataCRC Next Frame -Idle-JKPreamble + SOF DASATypeDataCRC T-Idle- Idle – сигнал свободного состояния среды JK – Start Delimiter – ограничитель начала потока кадра T – ограничитель конца потока кадра Поток данных в Fast Ethernet Поток данных в Ethernet

specification: IEEE 802.3z (June 1998), IEEE 802.3ab (1999) speed: 1 Gbps access method: CSMA/CD frame size: bytes flow control: 802.3x applications: enterprise servers 1000BaseT Cable Types: 4-pairs of Category 5 or better cabling Max segment length: 100m Signal Encoding: PAM5 Gigabit Ethernet 1000BaseSX Maximum Segment Length: Cable Types: Two MM – Half-Duplex 62.5/125: 275 m – Half-Duplex 50/125: 316 m – Full-Duplex 62.5/125: 275 m – Full-Duplex 50/125: 550 m Signal Encoding: 8B/10B 1000BaseLX Cable Types: MMF or SMF Maximum Segment Length: – Half-Duplex MMF & SMF: 316 m – Full-Duplex MMF: 550 m – Full-Duplex SMF: 5000 m Signal Encoding: 8B/10B

1000BaseT GigabitEthernet: Signal Encoding 5-уровневый код PAM 5: обеспечивает передачу со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра 125 МГц. Передача идет по четырем парам одновременно, full duplex. Используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. При двухбитовом кодировании для передачи данных необходимо четыре уровня - 00, 01, 10, 11. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используется для коррекции ошибок.

Gigabit Frame-Burst Sequence MAC Frame with Gigabit Carrier Extension

10-Gigabit Ethernet (10GigE) Specification: IEEE 802.3ae (approved June 13, 2002) Speed: 10 Gbps match the SONET standard OC-192 Frame definition the same as for slower Ethernet media: multimode and single mode fiber only full duplex; NO CSMA/CD; only point-to-point; no support for copper; pretty much plug and play Packet size : bytes considered distance – single mode: 2 km, 10 km, 40 km – multimode: 100m, 300 m -Gigabit Ethernet Alliance IEEE working group : Extending Ethernet across WAN

Ethernet: Что можно почитать 1.Проблемы межкабельных наводок 2.Тестирование СКС - среда передачи или протоколы? Кодирование сигналов. От тактовой частоты до информационной магистрали Обзор стандартов СКС 5. Технология Fast Ethernet 6. Технология Gigabit Ethernet 7. Базовые технологии локальных сетей

Token Ring/802.5 Logically a ring, but physically a star configuration to MAU relays Shielded or Unshielded Twisted-Pair MSAU Logical Topology

Token Ring (IEEE 802.5) A B C D X A B C T A B C T T A sends token to BB gets token and sends data to X who makes a copy and sends it on B removes data and sends token to C D XX

Token Ring Specifications Bandwidth--4Mbps or 16Mbps –100Mbps token ring is available but not widely implemented Called HSTR (High-Speed Token Ring) Cable--UTP, STP, fiber Maximum MSAU--33 Maximum nodes per MSAU--8 (IBM) Maximum nodes255 (STP) 72 (UTP) Media: StandardSpeedDistanceMedium ,16 Mbps100mUTP 802.5t100 Mbps100mUTP 802.5v1000 Mbps100mUTP

Token Ring Token Ring networks with STP cabling may use a type 1 IBM connector A DB-9 connector is another type of connector found on STP Token Ring networks

Token Ring Frame Format

The Token Frame When no station is transmitting, the token frame travels continuously around the ring.

Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet