Локальная сеть Ethernet Разработана: Digital, Intel, Xerox (1970 гг

Локальная сеть Ethernet
Разработана: Digital, Intel, Xerox (1970 гг)
Комитет: 802.3
Скорость передачи: 10 Мб/с, 100 Мб/с (Fast Ethernet), 1 Гб/с (Gigabit
Ethernet), 10 Гб/с (10 Gigabit Ethernet)
Топология: общая шина, звезда
Протокол доступа к среде: CSMA/CD
Приоритеты передачи: нет
Гарантии времени передачи: нет
Среда передачи: STP, UTP, коаксиальный кабель, оптоволокно
Физическое кодирование: зависит от спецификации
Количество станций в сегменте: зависит от спецификации
Длинна сегмента: зависит от спецификации
Максимальная длинна между узлами: зависит от спецификации
История создания Ethernet
В 1973 году Роберт Меткалф и Давид Боггс (R. Metcalfe, D. Boggs)
сотрудники лаборатории Xerox в Пало-Альто разработали Ethernet, как сеть
передачи информации между первыми графическими PC. Скорость передачи
- 2.94 Мбит/с. По аналогии с законом Мура (Gordon Moore, сооснователь
Intel), Р.Меткалф предсказал экспоненциальный рост сетей.
Эскиз технологии Ethernet (Р.Меткалф)
1
История создания Ethernet
Причины популярности
• Ethernet была первой локальной сетью, получившей широкое
распространение
• Технологии Token ring, FDDI и ATM, были более сложными и
дорогими, чем Ethernet
• Ethernet постоянно увеличивала скоросто передачи данных
• Благодаря популярности Ethernet аппаратура Ethernet (адаптеры, хабы и
коммутаторы) стала производиться массовым тиражом, в результате
чего цены на нее упали до невероятно низкого уровня
Структура Ethernet-кадра
Типы Ethernet-кадров:
• Кадр 802.3/LLC (SAP)
• Кадр Novell
• Кадр DIX
• Кадр Ethernet SNAP
Кадр 802.3/LLC
2
Первый стандартизованный кадр.
По сути является кадром, в котором в кадр подуровня МАС вложен кадр
подуровня LLC.
Преамбула (8 байт). Ethernet-кадр начинается с 8-байтового поля
преамбулы. В каждый из первых 7 байт преамбулы записывается значение
10101010, а в последний байт — значение 10101011.
Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6
байт. На практике всегда используются МАС-адреса из 6 байт.
Адрес источника (Source Address, SA) — это 2- или 6-байтовое поле,
содержащее МАС-адрес узла — отправителя кадра.
Длина (Length, L) — 2-байтовое поле, которое определяет длину поля
данных в кадре.
Поле данных (от 46 до 1500 байт).
Поле типа (SAP). Поле типа позволяет локальной Ethernet-сети «муль
типлексировать» протоколы сетевого уровня.
Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence,
FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по
алгоритму CRC-32.
Кадр Raw 802.3/Novell
3
Кадр Ethernet DIX/ Ethernet II
Кадр Ethernet SNAP
Автоопределение типа Ethernet-кадра
Если значение поля Тип>1500 (0x05DC), то данный кадр - Ethernet II, а
значение в этом поле указывает на протокол верхнего уровня.
0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS, и
0x8137 для IPX/SPX.
LLC data = LLC заголовок (3 байта: DSAP, SSAP, поле управления) + данные.
DSAP, SSAP - Destination (Source) Service Access Point - код службы на
приемной и передающей сторонах.
4
Если Длина<1500, то:
Если 2 байта (DSAP, SSAP) = 0xFFFF, то кадр - Ethernet 802.3 (устарел);
Если 2 байта (DSAP, SSAP) = 0xАААА, то Ethernet SNAP (популярный
формат в сетях TCP/IP, более гибкий стандарт, чем Ethernet II);
Иначе - кадр Ethernet 802.2 (используется фирмой Novell).
Кадры различных форматов могут сосуществовать в одной сети. Различия в
форматах кадров технологии Ethernet могут иногда приводить к
несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним
стандартом. Производится автоматическое детектирование типов кадров по
характерным значениям некоторых полей.
Реализация протокола CSMA/CD
Задачи протокола:
• Адаптер может начинать передачу в любое время, то есть время не
делится на слоты.
• Адаптер никогда не начинает передачу, если он слышит передачу
другого адаптера, то есть выполняется контроль несущей.
• Адаптер прерывает передачу, как только он обнаруживает, что другой
адаптер также выполняет передачу, то есть имеет место обнаружение
коллизий.
• Прежде чем пытаться повторить передачу после обнаружения
коллизии, адаптер выжидает в течение интервала времени случайной
длительности. Как правило, по сравнению со временем, необходимым
для передачи кадра, этот интервал небольшой.
Алгоритм реализации
Протокол CSMA/CD работает на каждом адаптере независимо от других
адаптеров локальной Ethernet-сети.
1. Адаптер принимает от своего родительского узла единицу обмена (PDU)
сетевого уровня, формирует Ethernet-кадр и помещает его в буфер адаптера.
2. Если адаптер определяет, что канал свободен (то есть в нем не
наблюдается сигнала), он начинает передавать кадр. Если же канал занят,
адаптер ждет, пока сигнал в линии не прекратится (плюс еще время,
необходимое для передачи 96 бит), после чего начинает передачу кадра.
5
3. Передавая кадр, адаптер отслеживает наличие напряжения от сигнала
других адаптеров. Если адаптер успевает передать весь кадр, не обнаружив
сигнала других адаптеров, передача кадра считается успешной.
4. Если адаптер обнаруживает сигнал других адаптеров во время собственной
передачи, он прекращает передачу кадра и передает 48-разрядный сигнал
коллизии (jam signal).
5. После этого адаптер входит в фазу экспоненциального отката. В частности,
после n неудачных попыток повторить передачу одного и того же кадра
адаптер выбирает значение К псевдослучайным образом из множества {0, 1,
2,..., 2^n - 1}, где n := min(n, 10). Затем адаптер выжидает в течение интервала
времени, длительность которого равна К*512 длительностей передачи одного
бита, после чего возвращается к шагу 2.
Эффективность
t_распр - максимальное время, необходимое для того, чтобы сигнал
распространился между двумя самыми удаленными друг от друга
адаптерами.
t_кадр - время передачи Ethernet-кадра максимального размера
Спецификации сетей
10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый
"толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная
длина сегмента - 500 метров (без повторителей).
6
10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый
"тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная
длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded
Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную физическую топологию с
концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не
более 100 м. Передача и прием ведется по двум парам из четырех.
10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на
витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL
(первый стандарт для использования оптоволокна в сетях Ethernet), 10BaseFL, 10Base-FB.
10Base Характеристики (общие)
7
10Base-5
10Base-5 — оборудование – терминатор
Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля
максимальной длины в 500 м (без повторителей) должен иметь на концах
согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом,
поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие
возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в
кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные
сигналы, а другие — настолько слабые, что их прием становится
невозможным.
10Base-5 — оборудование – трансивер
Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика —
трансивера. Трансивер — это часть сетевого адаптера; он устанавливается
непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера.
Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания,
обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и
бесконтактным методом.
8
10Base-5 — оборудование – повторитель
Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети
повторителя.
Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов
кабеля и увеличения тем самым общей длины сети.
Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и,
соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине
сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500
м.
10Base-2
9
Сеть на тонком коаксиальном кабеле;
Полудуплексный режим – передача ИЛИ получение.
10Base-T
Сеть на витой паре;
Дуплексный режим – И передача, И получение.
10
10Base-T — иерархическое подключение
10Base-F
В качестве среды передачи данных 10-мегабитная сеть Ethernet использует
оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа
кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно,
обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км.
Допустимо и более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой
пропускания в несколько гигагерц, но при этом нужно применять
специальный тип трансивера.
10Base-F – спецификации
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link — волоконно-оптический
канал между повторителями) представляет собой первый стандарт комитета
802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину
11
оптоволоконной связи между повторителями до 1 км. Максимальное число
повторителей между любыми узлами сети — 4.
Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение
стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное
расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м.
Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, и
стандартная максимальная длина сети 2500 м достижима.
Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей.
Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к
портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5
повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и
максимальной длине сети 2740 м.
Fast Ethernet
100Base
Общие понятия
• Стандарт принят в 1995г;
• стандарт IEEE 802.3u;
• десятикратное увеличение пропускной способности сегментов сети;
• сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в
Ethernet;
• сохранение формата кадра, принятого в Ethernet;
• поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и
волоконно-оптического кабеля.
• отказ от толстого и тонкого коаксиального кабеля
• Теоретический придел размера сегмента сети 250м
Физический уровень
Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на
физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно
теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.
12
Спецификации сетей
Таблица сравнения сетей
13
Максимальная длина сегмента
Сети Fast Ethernet на разделяемой среде подобно сетям 10Base-T/10Base-F
имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на
концентраторах. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet
является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется
сокращением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет
увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитной сетью
Ethernet.
100Base-FX
• кабель: оптоволокно
• полудуплексный и дуплексный режимы
• кодирования — 4В/5В
14
• методы физического кодирования — NRZI
100Base-ТX
В спецификации 100Base-TX в качестве среды передачи данных
используется витая пара UTP категории 5 или STP типа 1. Основным
отличием от специфика спецификации 100Base-FX — наряду с
использованием метода кодирования MLT-3 — явявляется наличие функции
автопереговоров для выбора режима работы порта.
100Base-ТX – схема автопереговоров
Приоритет:
• 10Base-T;
• дуплексный режим 10Base-T;
• 100Base-TX;
• 100Base-T4;
• дуплексный режим 100Base-TX.
100Base-Т4
• кабель: неэкранированный категориия 3
• кодирование 8В/6Т
Gigabit Ethernet
1000Base
•
стандарт принят в 1998 - 2000 гг.
•
стандарт IEEE 802.3z и 802.3ab
•
десятикратное увеличение пропускной способности сегментов
сети
•
сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в
Ethernet
•
частичное сохранение формата кадра, принятого в Ethernet
•
среда передачи данных: поддержка витой пары и волоконнооптического кабеля
•
теоретический придел размера сегмента сети: до нескольких
километров.
Спецификации сетей
15
Максимальные
длины
сегментов
1000Base-SX и 1000Base-LX
16
Отличие SX от LX – длинна волны лазера. В первом случае используется
длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength), а во втором — 1300 нм (L
— Long Wavelength).
Спецификация 1000Base-SX может использовать только многомодовый
кабель, при этом его максимальная длина составляет около 500 м.
Спецификация 1000Base-LX может работать как с многомодовым
(максимальное расстояние до 500 м), так и с одномодовым кабелем
(максимальное расстояние зависит от мощности передатчика и качества
кабеля и может доходить до нескольких десятков километров)
1000Base-CX
В качестве среды передачи данных в спецификации 1000-СХ определен
экранированный сбалансированный медный кабель с волновым
сопротивлением 150 Ом. Максимальная длина сегмента составляет всего 25
м, поэтому это решение подходит для соединения оборудования,
расположенного в одной комнате
1000Base-T - кодирование
1000Base-T – сеть на неэкранированной витой паре
Для кодирования данных был применен код РАМ5, в котором 5 уровней
потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается
2,322 бит информации (Log25). Следовательно, для достижения скорости
250 Мбит/с тактовую частоту 250 МГц можно уменьшить в 2,322 раза.
Разработчики стандарта решили использовать несколько более высокую
частоту, а именно 125 МГц. При этой тактовой частоте код РАМ5 имеет
спектр уже, чем 100 МГц, то есть он может быть передан без искажений по
кабелю категории 5.
1000Base-T — дуплексный режим
17
10G Base
• 10 Gigabit Ethernet Alliance -> IEEE 802.3ae
• Работа над стандартом началась в 1999 году, закончилась в середине
2002.
• сохранен формат кадра (МАС подуровень);
• передача только в полнодуплексном режиме;
• использование оптоволокна (преимущественно одномодового) в
качестве среды передачи, но допускается и витая пара;
• метод доступа CSMA/CD не нужен.
Типы сред передачи
18
Спецификации сетей
10GBase-X
Группа 10GBase-X в настоящее время состоит из одного интерфейса
подуровня PMD — 10GBase-LX4. Буква L говорит о том, что информация
передается с помощью волн второго диапазона прозрачности, то есть 1310
им. Информация в каждом направлении передается одновременно с
помощью четырех волн (что отражает цифра 4 в названии интерфейса),
19
которые
мультиплексируются
на
основе
техники
WDM
10GBase-R
В каждой из групп 10GBase-W и 10GBase-R может быть три варианта
подуровня PMD: S, L и Е в зависимости от используемого для передачи
информации диапазона волн — 850, 1310 или 1550 нм соответственно.
Таким образом, существуют интерфейсы 10GBase-WS, 10GBase-WL,
10GBase-WE и 10GBase-RS, 10GBase-RL и lOGBase-RE. Каждый из них
передает информацию с помощью одной волны соответствующего
диапазона.
10GBase-W
В отличие от 10GBase-R физические интерфейсы группы 10GBase-W
обеспечивают скорость передачи и формат данных, совместимые с
интерфейсом SONET STS-192/SDH STM-64.
Пропускная способность интерфейсов группы W равна 9,95328 Гбит/с, а
эффективная скорость передачи данных — 9,58464 Гбит/с (часть пропускной
способности тратится на заголовки кадров STS/STM).
Из-за того что скорость передачи информации у этой группы интерфейсов
ниже, чем 10 Гбит/с, они могут взаимодействовать только между собой, то
есть соединение, например, интерфейсов 10GBase-RL и 10Base-WL
невозможно.
10GBase-T
Стандарт - IEEE 802.3an
Принят в 2006г
Среда – медная витая пара категории 6 и 7
Максимальная длинна сегмента
20
21