Ethernet Сети и системы телекоммуникаций Созыкин А.В.

ИМКН УрФУ2 План Место модели OSI История создания Типы Ethernet Классический Ethernet Адресация Формат пакета Метод CSMA/CD

ИМКН УрФУ3 Место Ethernet в модели OSI Физический Канальный Сетевой Транспортный Сеансовый Представления Прикладной Подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC) Подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)

ИМКН УрФУ4 История создания Первая сеть на разделяемой среде: радиосеть ALOHA, Гавайский университет Роберт Меткалф изучал ALOHA в аспирантуре 1973 г. Роберт Меткалф в Xerox придумал сеть на разделяемом кабеле The Ether Network A Cable-Tree Ether Xerox, DEC и Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II)

ИМКН УрФУ5 История создания 1979 г. Роберт Меткалф уходит из Xerox и создает компанию 3com 1982 г. Создан проект IEEE 802 для стандартизации Ethernet Конец 90-х. Ethernet становится доминирующей технологией в локальных сетях Роберт Меткалф рассказывает об истории создания Ethernet

ИМКН УрФУ6 Типы Ethernet НазваниеСкоростьКабельСтандарт Ethernet10 Мб/с«Толстый», «тонкий» коаксиал, Витая пара Fast Ethernet100 Мб/сВитая пара, оптика802.3u Gigabit Ethernet1 Гб/сВитая пара, оптика802.3z, 802.3ab 10G Ethernet10 Гб/сВитая пара, оптика802.3ae, 802.3an

ИМКН УрФУ7 Типы Ethernet Классический Ethernet Разделяемая среда Ethernet – Gigabit Ethernet Коммутируемый Ethernet Точка-точка Появился в Fast Ethernet Единственный вариант в 10G Ethernet

ИМКН УрФУ8 Классический Ethernet Исторически появился самый первый Общая шина – коаксиальный кабель

ИМКН УрФУ9 Проблемы общей шины Полный отказ сети в случае: Поломки сетевого адаптера Проблемы с кабелем Неисправности коннекторов или терминаторов Сложность диагностики Сложность монтажа

ИМКН УрФУ10 Концентраторы Концентратор (hub) – устройство для создания сетей Ethernet на основе витой пары Физическая топология – звезда Логическая топология – общая шина

ИМКН УрФУ11 Концентраторы Работают на физическом уровне Соединяют в единую среду кабели, идущие по всем портам Данные, поступающие на порт концентратора, передаются на все другие порты, не зависимо от адреса назначения

ИМКН УрФУ12 Тест LIT Тест целостности соединения (Link Integrity Test, LIT) – проверка состояния соединения на витой паре Каждые 16 мс отправляются импульсы длительностью 100 нс Если порт не используется Если получатель принимает импульсы, он считает, что соединение работает Подтверждается светом зеленого светодиода

ИМКН УрФУ13 Преимущества концентраторов Выше надежность: Сеть не перестает работать при однократном сбое Удобство диагностики: Сразу можно определить, какой компьютер/кабель вызвал проблемы Удобство монтажа Возможность использования существующий витой пары (телефонной проводки)

ИМКН УрФУ14 Типы классического Ethernet 10Base5 – Ethernet на «толстом» коаксиале 10Base2 – Ethernet на «тонком» коаксиале 10BaseT – Ethernet на витой паре категории 3 10BaseF – Ethernet на оптических кабелях Расшифровка названий: 10 – Максимальная скорость 10Мб/с Base – технология передачи Baseband, без модуляции (с модуляцией BROAD) 5, 2 – округленная максимальная длина сегмента (500 м и 185 м) T – тип кабеля витая пара (twisted pair) F – тип кабеля оптический (fiber optic)

ИМКН УрФУ15 Физический и канальный уровни Ethernet Физический уровень Ethernet : Коаксиальный кабель Витая пара Оптоволокно Канальный уровень Ethernet : Методы доступа и протоколы, одинаковые для любой среды передачи данных В классическом Ethernet смешаны подуровни LLC и MAC

ИМКН УрФУ16 MAC-адреса Служат для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети Ethernet Регламентированы стандартом IEEE Длина 6 байт (48 бит) Форма записи – шесть шестнадцатеричных чисел: 1C D C:75:08:D2:49:45

ИМКН УрФУ17 Типы MAC-адресов Индивидуальный (unicast): 1C D Групповой (multicast, первый бит старшего байта адреса равен 1): A7-F Широковещательный (broadcast, все 1): FF-FF-FF-FF-FF-FF

ИМКН УрФУ18 Способы назначения MAC- адресов Централизованный (по-умолчанию): Адреса назначаются производителям оборудования Правила назначения описываются стандартом IEEE 802 Локальный: Адреса назначаются администратором сети Администратор должен обеспечить уникальность Индикатор способа назначения - второй бит старшего байта MAC-адреса: 0 – адрес назначен централизованно 1 – адрес назначен локально

ИМКН УрФУ19 Централизованное назначение MAC-адресов При централизованном назначении MAC-адреса должны быть уникальны во всем мире Структура MAC-адреса: Первые 3 байта – уникальный идентификатор организации (OUI), выдаются IEEE производителям оборудования Последние 3 байта – назначает производитель оборудования, который отвечает за уникальность Примеры OUI: 00:00:0C – Cisco (еще есть 6C:50:4D, 70:81:05 и др.) 00:02:B3 – Intel 00:04:AC – IBM

ИМКН УрФУ20 Одинаковые MAC-адреса В одном сегменте сети не должно быть одинаковых MAC-адресов Одна широковещательная среда Ethernet Один VLAN в коммутируемом Ethernet Если будет два компьютера с одним MAC-адресом, то один из них не будет работать

ИМКН УрФУ21 Неразборчивый режим Неразборчивый режим (promiscuous mode) – специальный режим работы сетевого адаптера, при котором он принимает все кадры в сети, не зависимо от MAC-адреса назначения Используется для мониторинга трафика в сети

ИМКН УрФУ22 Стандарты Ethernet Стандарты: Первый вариант – экспериментальная реализация Ethernet в Xerox Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компаний DEC, Intel, Xerox IEEE – юридический стандарт Ethernet Стандарты Ethernet II и IEEE незначительно отличаются друг от друга Ethernet II используется чаще, будем рассматривать его

ИМКН УрФУ23 Адрес отправителя Формат кадра Ethernet 6 байт Адрес получателя 6 байт Тип 2 байта4 байта Контрольная сумма байт Данные Заголовок Концевик Формат кадра Ethernet II (DIX), в других стандартах незначительные отличия

ИМКН УрФУ24 Поле Тип кадра Ethernet Содержит условный код протокола верхнего уровня: 0800 – IPv4 86DD – IPv – ARP Используется для реализации мультиплексирования и демультиплексирования

ИМКН УрФУ25 Поле Данные кадра Ethernet Содержит данные, полученные от протокола верхнего уровня Максимальная длина 1500 байт Выбрана разработчиками Ethernet Ограничение на размер памяти для буфера Существует расширение JumboFrame Минимальная длина 46 байт Ограничение технологии Ethernet

ИМКН УрФУ26 Контрольная сумма Используется для обнаружения ошибок при передаче кадра по сети Вычисляется по алгоритму CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) При обнаружении ошибки кадр отбрасывается Исправления ошибок или перезапросов неправильного кадра нет

ИМКН УрФУ27 Пример кадра из Wireshark

ИМКН УрФУ28 Доступ к среде Классический Ethernet использует метод доступа к среде CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и распознаванием коллизий

ИМКН УрФУ29 Коллизия Коллизия – искажение информации при одновременно передаче данных несколькими компьютерами

ИМКН УрФУ30 Прослушивание несущей Чтобы избежать коллизий, компьютеры должны передавать данные только тогда, когда среда не используется Способ определить, свободна ли среда – прослушивание основной гармоники сигнала (несущей частоты): Несущая частота есть – среда занята Несущей частоты нет – среда свободна Классический Ethernet использует манчестерское кодирование, несущая 5-10 МГц

ИМКН УрФУ31 Модель CSMA/CD Кадр Период передачи Период конкуренции Период простоя

ИМКН УрФУ32 Период передачи Если в среде нет несущей частоты, то компьютер может начинать передачу данных Схема передачи: ПреамбулаКадр Межкадровый интервал

ИМКН УрФУ33 Преамбула Служит для синхронизации приемника и передатчика Формат преамбулы: Длина 8 байт Первые 7 байт: Последний байт: (ограничитель начала кадра)

ИМКН УрФУ34 Передача кадра После окончания преамбулы компьютер начинает передавать кадр Все остальные компьютеры в сети начинают принимать кадр и записывают его в свой буфер Первые 6 байт кадра содержат адрес получателя: Компьютер, который узнал свой адрес, продолжает записывать кадр Остальные удаляют кадр из буфера

ИМКН УрФУ35 Межкадровый интервал После окончания передачи все компьютеры ждут в течение межкадрового интервала 9,6 мкс в классическом Ethernet Назначение межкадрового интервала: Предотвратить монопольный захват канала Приведение сетевых адаптеров в исходное состояние

ИМКН УрФУ36 Период конкуренции После завершения межкадрового интервала компьютеры могут начать передачу Два компьютера начали передачу одновременно – коллизия Обнаружение коллизий: Компьютер передает и принимает сигналы одновременно Если принятый сигнал отличается от переданного – значит возникла коллизия Jam-последовательность – передается компьютером при обнаружении коллизии для того, чтобы другие компьютеры легче ее распознали

ИМКН УрФУ37 Период конкуренции Если компьютер начал передавать данные и обнаружил коллизию, то он делает паузу Длительность паузы: L * 512 битовых интервалов Битовый интервал – время между появлениями двух последовательных битов данных 0,1 мкс в классическом Ethernet L случайно выбирается из диапазона [0, 2 N -1] N – номер попытки

ИМКН УрФУ38 Отсрочка Экспоненциальный двоичный алгоритм отсрочки Диапазоны L: 1 попытка: [0, 1] 2 попытка: [0, 3] 5 попытка: [0, 31] 10 попытка: [0, 1023] После 10 попыток интервал не увеличивается После 16 попыток передача прекращается

ИМКН УрФУ39 Отсрочка Алгоритм хорошо работает, когда в сети мало компьютеров Если компьютеров много, то коллизии возникают чаще: Растет число попыток передачи Растет интервал L и длительность пауз Экспоненциально увеличивается задержка

ИМКН УрФУ40 Время оборота и коллизии Время оборота (round trip time) – время, за которое сигнал коллизии успевает дойти до самого дальнего узла

ИМКН УрФУ41 Время оборота и коллизии Время оборота должно быть меньше, чем время передачи самого короткого кадра В противном случае: Сигнал о коллизии может прийти уже после того, как компьютер завершил передачу кадра Компьютер будет считать, что кадр передан, а на самом деле произошла коллизия

ИМКН УрФУ42 Время оборота и коллизии Параметры Ethernet подобраны так, чтобы коллизии гарантированно распознавались Минимальная длина данных в кадре 46 байт Если данных меньше, то они дополняются до 46 байт Максимальная длина сети 2500 м

ИМКН УрФУ43 Недостатки классического Ethernet Плохая масштабируемость: Сеть становится неработоспособной при загрузке общей среды больше, чем на 30% Работоспособное количество компьютеров - 30 При увеличении скорости передачи уменьшается длина сети: Сокращается время оборота Разное время доставки кадра: Причина – коллизии Плохо для трафика реального времени Низкая безопасность: Данные в разделяемой среде доступны всем

ИМКН УрФУ44 Итоги Место модели OSI История создания Типы Ethernet Классический Ethernet Адресация Формат пакета Метод CSMA/CD

ИМКН УрФУ45 Вопросы?