Маршрутизация в локальных сетях Сеть Ethernet: основные характеристики; структура пакета; метод доступа CSMA/CD Александров А.Г. ИТО-4-07. - презентация

1 Маршрутизация в локальных сетях Сеть Ethernet: основные характеристики; структура пакета; метод доступа CSMA/CD Александров А.Г. ИТО-4-07

2 Маршрутизация в локальных сетях

3 Маршрутизация – это процесс определения на основе данных из таблицы маршрутизации оптимального пути от узла-источника к узлу-получателю в условиях избыточных связей. Смысловые части маршрутизации Процесс построения таблицы маршрутизации Перенаправление отдельных пакетов Понятие маршрутизации

4 Сетевой уровень (работа с таблицей маршрутизации, выбор выходного порта маршрутизатора для дальнейшей пересылки пакета) Канальный уровень (проверка контрольной суммы заголовка пакета,определение МАС-адреса получателя, отправка пакета с учетом очередности, фрагментации и фильтрации) Уровни работы маршрутизации

5 Маршрутизация бывает Прямая Косвенная Доставкой пакета занимается сам узел-отправитель. Доставкой пакета занимается маршрутизатор.

6 Таблица маршрутизации Каждый узел в сети имеет свою собственную таблицу маршрутизации, которая содержит записи для всех сетей, известных этому узлу. Наиболее актуальными являются таблицы маршрутизации на маршрутизаторах Вид таблицы маршрутизации:

7 Сеть Ethernet: основные характеристики; структура пакета; метод доступа CSMA/CD

8 Ethernet пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы Ethernet

9 Ранние модификации Ethernet 10-мегабитный Ethernet Fast Ethernet (100 Мбит/) Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) 10-гигабитный Ethernet 40-гигабитный Ethernet 100-гигабитный Ethernet Разновидности

10 Xerox Ethernet оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение. 1BROAD36 широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель. 1BASE5 также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения. Ранние модификации

11 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента метров (без повторителей). 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента метров (без повторителей). 10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м. 10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными). 10-мегабитный Ethernet

12 00BASE-T общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2. 100BASE-TX, IEEE 802.3u развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м. 100BASE-T4 стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется. 100BASE-T2 стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении 50 Мбит/с. Практически не используется. 100BASE-SX стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе. 100BASE-FX стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2 х до 10 километров. 100BASE-FX WDM стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой на 1550 нм. Fast Ethernet

13 1000BASE-T, IEEE 802.3ab стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров 1000BASE-TX - «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE- TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA )» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted- Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA )»). Стандарт, использует раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX может использовать только кабель 6 категории. 1000BASE-SX, IEEE 802.3z стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. 1000BASE-LX, IEEE 802.3z стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 5 километров. 1000BASE-CX стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется. 1000BASE-LH (Long Haul) стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров. Gigabit Ethernet

14 10GBASE-CX4 Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand. 10GBASE-SR Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км). 10GBASE-LX4 использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна. 10GBASE-LR и 10GBASE-ER эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно. 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM- 64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи. 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния до 100 метров. 10-гигабитный Ethernet

15 Структура пакета ПреамбулаSFD Данные CRC 7 bytes1 byte от 46 до 1500 bytes4 bytes IFD 1 bytes Адрес получателя Адрес отправителя Протокол или тип 6 bytes 2 bytes IEEE 802

16 Преамбула содержит 7 байт 0 хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды. Поле SFD (start frame delimiter = 0xab) предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD (end frame delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - cyclic redundancy check), также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле EFD не используется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация, включительно.

17 В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet Кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Метод доступа CSMA/CD

18 Этапы доступа к среде

19 Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier- sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. На рисунке узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, содержащих значение , и 8-го байта, равного Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также попытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята – на ней присутствует несущая частота, поэтому узел 2 вынужден ждать. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс – она нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией

20 При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не защищают от того, что две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet.Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-з того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти. То есть коллизии – это следствие распределенного характера сети. Возникновение коллизий

21 Обнаружение и обработка коллизий Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

22 Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров. При этом в сети не должно быть более 1024 узлов.

23 Спасибо за внимание!