Компьютерные сети. Технология Ethernet

1. Компьютерные сети

Лекция 8. Технология Ethernet

2. История

Ethernet – (англ.) ether – «эфир» и network –
«сеть» - «эфирная сеть»
Это семейство технологий пакетной передачи
данных для компьютерных сетей.
Описывается стандартами IEEE 802.3
Определяет проводные соединения и
электрические сигналы на физическом уровне,
формат кадров и протоколы управления доступом
к среде – на канальном уровне.

3. История

Технология Ethernet разработана
корпорацией Xerox PARC
Роберт Меткалф (1973 г.)
Стандарт DIX v 2.0 (Ethernet II)
предложен группой компаний
DIX (DEC, Intel, Xerox)
Международный стандарт IEEE
802.3 принят в 1983 г.
Этот стандарт определяет
множественный доступ к
моноканалу типа «шина» с
методом доступа CSMA/CD.
Robert Metcalfe

4. Основные характеристики

Основные характеристики технологии Ethernet
стандарта IEEE 802.3 следующие:
Топология – «шина»
Среда передачи – коаксиальный кабель
Скорость 10 Мбит/с
Максимальная длина – 5 км
Максимальное количество абонентов - 1024
Длина сегмента сети – до 500 м
Количество абонентов в одном сегменте – до 100
Кодирование сигналов – манчестерский код
Метод доступа – CSMA/CD

5. Основные характеристики

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE
802.3 имеет различные спецификации:
10Base-5 (802.3)
10Base-2 (802.3а)
10Base-T (802.3i)
10Base-FL (802.3j)
10Base-FB (802.3j)

6. Основные характеристики

Несмотря на то, что стандартом 802.3 установлен
только один тип кадра канального уровня MAC, на
практике в сетях Ethernet используются кадры четырех
различных форматов:
Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2)
Кадр Raw 802.3 (кадр Novell 802.3)
Кадр Ethernet DIX (кадр Ethernet II)
Кадр Ethernet SNAP

7. Основные характеристики

Кадр 802.3/LLC (802.3/802.2)
Заголовок этого кадра является результатом
объединения полей заголовков кадров, определённых в
стандартах IEEE 802.2 и 802.3.
7
1
6
6
2
1
1
1(2)
46 – 1497 (1496)
4
Preambula
SFD
DA
SA
L
DSAP
SSAP
Control
Data
FCS

8. Основные характеристики

Кадр Raw 802.3 (кадр Novell 802.3)
Появление этого типа кадров связано с тем, что
компания Novell долгое время не использовала
служебные поля кадра LLC в своей операционной
системе NetWare из-за отсутствия необходимости
идентифицировать тип информации, вложенной в поле
данных, - там всегда находился пакет протокола IPX,
поэтому поля LLC не использовались.
7
1
6
6
2
46 - 1500
4
Preambula
SFD
DA
SA
L
Data
FCS

9. Основные характеристики

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II
В кадре указывается тип протокола верхнего уровня
вместо поля L – длина кадра
Поле T (EtherType) – указание типа протокола верхнего
уровня. Если используется протокол IP, то в поле T
будет 0х0800.
7
1
6
6
2
46 - 1500
4
Preambula
SFD
DA
SA
T
Data
FCS

10. Основные характеристики

Кадр Ethernet SNAP
Представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за
счёт введения дополнительного заголовка протокола
SNAP (SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к
подсетям), состоящего из двух полей: OUI и Type.
Поле OUI определяет идентификатор организации,
которая контролирует коды протоколов в поле Type
(для IEEE значение этого поля 000000)
7
1
6
6
2
1
1
1(2)
3
2
46 - 1492
4
Preambula
SFD
DA
SA
L
DSAP
SSAP
Control
OUI
T
Data
FCS

11. Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet
были созданы на основе коаксиального
кабеля. В дальнейшем были определены и
другие спецификации физического уровня для
стандарта Ethernet, позволяющие
использовать различные среды передачи
данных:
10Base-5
10Base-2
10Base-T
10Base-F

12. 10Base-5

Данная спецификация соответствует экспериментальной
сети Ethernet фирмы Xerox и считается классическим
Ethernet
Используется толстый коаксиальный кабель RG-8 или
RG-11, который используется как моноканал для всех
станций сети
Скорость передачи – 10 Мбит/с, передача данных идёт в
основной полосе частот (без модуляции). Допустимая
длина сегмента - 500 метров
К одному сегменту можно подключить не более 100
абонентов, сегментов может быть не более пяти, таким
образом, на сеть накладывается ограничение в 500
абонентов

13. 10Base-5

Компоненты физического уровня сети спецификации 10Base-5

14. 10Base-5

Компоненты физического уровня сети спецификации 10Base-5

15. 10Base-5

Достоинства 10Base-5:
Хорошая защита кабеля.
Большое расстояние между узлами.
Возможность перемещения станции между
узлами в пределах длины кабеля.

16. 10Base-5

Недостатки 10Base-5:
Высокая стоимость.
Сложность прокладки.
Требуется специальный инструмент.
Низкая устойчивость к порывам.
Проводка должна быть предусмотрена
заранее.

17. 10Base-2

Использует тонкий коаксиальный кабель
(диаметр 5 мм, 50 Ом, RG-58 A/U).
К одному сегменту можно подключить до 30
абонентов.
Сегментов может быть 5 длиной не более 185
метров каждый, как и в предыдущем случае,
работает правило «5-4-3».
Максимальная длина сети - 5 185 = 925 м.
Станции подключаются к кабелю с помощью
высокочастотного BNC T-коннектора

18. 10Base-2

Схема сети спецификации 10Base-2

19. 10Base-2

Схема сети спецификации 10Base-2

20. 10Base-2

Недостатки спецификации 10Base-2:
Кабель более восприимчив к помехам
В моноканале много физических соединений
Возможна реализация сегментов на базе
кабелей разного типа (толстого и тонкого).
Для расчета длины кабеля используется
соотношение: (3,28 LTH) + LТЛ < 500 м, где LTH
– длина тонкого кабеля, LТЛ – длина толстого
кабеля.

21. 10Base-T

В качестве среды используется UTP –
неэкранированная витая пара – две пары:
одна пара – передающая, другая –
принимающая.
Каждый из абонентов присоединяется к
концентратору по схеме «пассивная звезда».
Среда передачи данных – логический
моноканал (логическая общая шина).
Метод доступа CSMA/CD.

22. 10Base-T

23. 10Base-T

24. 10Base-T

Концентраторы можно соединять друг с
другом.
Максимальное количество концентраторов
между любыми двумя станциями сети не
должно превышать четырех.
Максимальное количество станций – 1024.
Максимальная длина сети – 500 м.

25. 10Base-T

26. 10Base-T

Эксплуатировать такую сеть легче, т.к. при
обрыве связи с узлом сеть продолжает
работать.
В стандарте 10Base-T есть процедура
тестирования работы кабеля между узлом
связи и повторителем.
Эта процедура – тест связности. Каждые 16 мс
подаются специальные импульсы J и K между
приемником и передатчиком. Если тест не
проходит, то работа блокируется.

27. 10Base-F

Для передачи данных используется
многомодовое оптическое волокно MMF.
Функционально сеть похожа на 10Base-T.
Для соединения адаптера и повторителя
используется два оптоволокна – на
передачу и на прием сигналов

28. 10Base-F

29. 10Base-F

Стандарт FOIRL – первый стандарт. Длина связи до
1000 м, общая длина – не более 2500 м, максимальное
число повторителей – 4.
Стандарт 10Base-FL Увеличение мощности передатчика.
Длина связи – до 2000 м, общая – 2500 м, число
повторителей – 4.
Стандарт 10Base-FB – только для соединения
повторителей. Можно установить 5 повторителей между
двумя узлами в сети. Максимальная длина связи – 2000
м, общая 2740.
10Base-FP используется для связи между компьютерами
(до 33, соединение по топологии пассивная звезда).

30. 10Base-F

Преимущества 10Base-F:
Больше длина сегмента сети.
Высокая помехоустойчивость.
Полная гальваническая развязка.

31. Расчет параметров сети Ethernet

Производительность сети оценивается как
количество кадров, передаваемых в секунду.
Рассмотрим случаи с кадрами минимальной и
максимальной длины.
Минимальная длина кадра – 72 байта или 576
бит. На его передачу тратится 57,6 мкс.
Межкадровый интервал – 9,6 мкс.
максимальная пропускная способность (МПС)
~14880 кадров в секунду

32. Расчет параметров сети Ethernet

Максимальная длина кадра – 1526 байт или
12208 бит.
МПС таких кадров ~813 кадров в секунду.
При работе с большими кадрами нагрузка на
сеть растет.

33. Расчет параметров сети Ethernet

Полезная пропускная способность (ППС) –
скорость передачи данных, которые
переносятся полем данных кадра.
Для кадров минимальной длины ППС СП=
14900 46 8 = 5,48 Мбит/с. Для кадров
максимальной длины ППС СП= 813 1500 8 =
9,76 Мбит/с.
Отношение СП/Сmax – коэффициент
использования сети. Максимальный
коэффициент ~0,976

34. Технология Fast Ethernet

Середина 90-х гг. – проблема недостаточной
пропускной способности сетей Ethernet.
Fast Ethernet Alliance (3COM, SynOptics)
100VG-AnyLAN (HP, AT&T, IBM)
1995 г. – IEEE 802.3u (Fast Ethernet)

35. Технология Fast Ethernet

36. Технология Fast Ethernet

Отличия от Ethernet только на физическом
уровне
Спецификации Fast Ethernet:
100Base-TX
100Base-T4
100Base-FX

37. Технология Fast Ethernet

Основные характеристики:
топология – иерархическая звезда
количество абонентов – неограниченно
диаметр сети – 200 м
формат кадров Ethernet
битовый интервал – 10 нс
межкадровый интервал – 0,96 мкс
кодирование NRZI или MLT-3 и 4B/5B

38. Технология Fast Ethernet

Основными достоинствами технологии Fast
Ethernet являются:
увеличение пропускной способности
сегментов сети до 100 Мб/c;
сохранение метода CSMA/CD;
сохранение звездообразной топологии сетей и
поддержка традиционных сред передачи
данных - витой пары и оптоволоконного
кабеля.

39. Технология Fast Ethernet

Функция автопереговоров (Auto-negotiation)
позволяет двум устройствам, соединенным
одной линией связи, автоматически, без
вмешательства оператора, выбрать наиболее
высокоскоростной режим работы, который
будет поддерживается обоими устройствами

40. Технология Fast Ethernet

Режимы работы функции автопереговоров:
100Base-T4;
100Base-TX full-duplex;
100Base-TX half-duplex;
10 Mb/s full-duplex;
10Mb/s half-duplex;
ошибка на дальнем конце линии
При свободном состоянии среды передается
символ Idle (11111)

41. Технология Fast Ethernet

Формат кадра Fast Ethernet:
J (11000)
K (10001)
T (01101)
T (00111)
Idle (11111)

42. 100Base-TX

Особенности спецификации:
используется витая пара категории 5, 5e или
STP Type 1A
может работать в полнодуплексном режиме (fullduplex mode). В этом режиме не используется
метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует
понятие коллизий - каждый узел одновременно
передает и принимает кадры данных по каналам
Tx и Rx.

43. 100Base-TX

Особенности спецификации:
использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также
наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для
выбора режима работы порта
используется пара шифратор-дешифратор
(scrambler/descrambler), выполняющего кодирование
4B/5B, шифрование происходит таким образом, чтобы
равномерно распределить энергию сигнала по всему
частотному спектру - это уменьшает электромагнитное
излучение кабеля

44. 100Base-T4

Особенности спецификации:
была разработана для того, чтобы можно было
использовать для высокоскоростного Ethernet
имеющуюся проводку на витой паре категории 3.
Эта спецификация использует все 4 пары кабеля
для того, чтобы можно было повысить общую
пропускную способность за счет одновременной
передачи потоков бит по нескольким витым
парам

45. 100Base-T4

46. 100Base-T4

Особенности спецификации:
Вместо кодирования 4B/5В используется
кодирование 8B/6T
Четвертая пара всегда используется для
прослушивания несущей частоты в целях
обнаружения коллизии
Скорость передачи данных по каждой из трех
передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому
общая скорость протокола 100Base-T4
составляет 100 Мб/c

47. 100Base-FX

Особенности спецификации:
Эта спецификация определяет работу протокола
Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в
полудуплексном и полнодуплексном режимах
каждый узел соединяется с сетью двумя
оптическими волокнами, идущими от приемника
(Rx) и от передатчика (Tx).

48. 100Base-FX

49. 100Base-FX

Особенности спецификации:
100BASE-FX использует волоконно-оптический
кабель и обеспечивает связь излучением с
длиной волны 1310 нм.
Длина сегмента сети может достигать 400
метров в полудуплексном режиме (с гарантией
обнаружения коллизий) и 2 километров в
полнодуплексном при использовании
многомодового волокна.
100BASE-FX не совместим с 10BASE-F

50. 100Base-SX

Особенности спецификации:
100BASE-SX — удешевлённая альтернатива
100BASE-FX с использованием многомодового
оптоволокна и недорогой оптики.
100BASE-SX может работать на расстояниях до
300 метров. Используется та же длина волны,
что и в 10BASE-FL, совместимость с 10BASE-FL.
Благодаря использованию более коротких волн
(850 нм) и работы на небольших расстояниях,
100BASE-SX требует менее дорогих оптических
компонентов (светодиоды вместо лазеров).

51. 100Base-BX

Особенности спецификации:
100BASE-BX — вариант для работы по одному
оптоволокну (в отличие от 100BASE-FX, где
используется пара волокон).
Используется одномодовое волокно и
специальный мультиплексор, который разбивает
сигнал на передающие и принимающие волны.

52. 100Base-LX WDM

Особенности спецификации:
100BASE-LX WDM отличается от 100BASE-LX
тем, что допускается использование двух длин
волн — 1310 нм и 1550 нм.
Интерфейсные модули маркируются либо
цифрами (длина волны), либо одной латинской
буквой A (1310 нм) или B (1550 нм).
В паре могут работать только парные
интерфейсы: с одной стороны передатчик на
1310 нм, а с другой — на 1550 нм.

53. Построение сетей Fast Ethernet

Источниками кадров являются:
сетевой адаптер
порт моста
порт коммутатора
Правила корректного построения сегментов сетей
Fast Ethernet включают:
ограничения на максимальные длины сегментов;
ограничения на максимальный диаметр сети;
ограничения на максимальное число повторителей и
максимальную длину сегмента, соединяющего
повторители.

54. Построение сетей Fast Ethernet

Стандарт
Тип кабеля
Максимальная
длина сегмента
100Base-TX
Category 5 UTP
100 метров
100Base-FX
многомодовое
оптоволокно
62.5/125 мкм
412 метров
(полудуплекс) 2
км (полный
дуплекс)
100Base-T4
Category 3,4 или 5
100 метров
UTP

55. Построение сетей Fast Ethernet

Повторители Fast Ethernet делятся на два класса:
Повторители класса I поддерживают все типы систем
кодирования физического уровня: 100Base-TX/FX и
100Base-T4.
Повторители класса II поддерживают только один тип
системы кодирования физического уровня - 100BaseTX/FX или 100Base-T4.
В одном домене коллизий допускается наличие
только одного повторителя класса I. Максимальное
число повторителей класса II в домене коллизий - 2,
причем они должны быть соединены между собой
кабелем не длиннее 5 метров.

56. Построение сетей Fast Ethernet

57. Построение сетей Fast Ethernet

Тип кабелей
Только витая пара
(TX)
Только оптоволокно
(FX)
Максимальный
диаметр сети
Максимальная
длина сегмента
200 м
100 м
272 м
136 м
Несколько сегментов
на витой паре и один 100 м (TX)
на оптоволокне 260 м
160 м (FX)
Несколько сегментов
на витой паре и
100 м (TX)
несколько сегментов
на оптоволокне 272 м
136 м (FX)

58. Технология Gigabit Ethernet

1996 г. – Gigabit Ethernet Alliance (Cisco Systems,
3COM, Bay Networks)
Идея технологии Ethernet со скоростью передачи
1000 Мбит/с
Стандарт IEEE 802.3z
Стандарт IEEE 802.3ab

59. Технология Gigabit Ethernet

Общее с Ethernet:
кадры Ethernet
метод доступа CSMA/CD
поддержка оптоволоконного кабеля и витой пары
Отказ от:
контроля качества передачи
избыточных связей
тестирования линии
Максимальный диаметр сети 200 м
Минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512
байт

60. Спецификации Gigabit Ethernet

Название
Среда
Расстояние
1000BASE-BX10
Одномодовое оптоволокно (WDM: 1490 нм на приём,
1310 нм на передачу)
10 км
1000BASE-CX
Экранированный сбалансированный медный кабель
25 м
1000BASE-EX
Одномодовое оптоволокно (1310 нм)
~ 40 км
1000BASE-KX
Медная объединительная плата
1м
1000BASE-LX
Многомодовое оптоволокно
550 м
1000BASE-LX
Одномодовое оптоволокно
5 км
1000BASE-LX10
Одномодовое оптоволокно (1310 нм)
10 км
1000BASE-SX
Многомодовое оптоволокно
220—550 м в зависимости
от диаметра и пропускной
способности кабеля
1000BASE-T
Витая пара (категории 5, 5e, 6, 7)
100 м
1000BASE-TX
Витая пара (категории 6, 7)
100 м
1000BASE-ZX
Одномодовое оптоволокно (1550 нм)
~ 70 км

61. Сети Gigabit Ethernet

62. 10 Gigabit Ethernet

Стандарт 10-гигабитного Ethernet описывается
поправкой IEEE 802.3ae (2002 г.)
Основные характеристики:
скорость передачи 10000 Мбит/с
Минимальная длина кадра 512 байт
Максимальная длина кадра 1518 байт
Длина бита 0,1 нс
Кодирование 64B/66B

63. 10 Gigabit Ethernet

Спецификации:
10GBase-T (UTP кат. 6 (55 м) и 6а (100 м)
10GBase-CX4 (медный кабель CX4, 15 м)
10GBase-SR (MMF, 26 или 82 м)
10GBase-LR (SMF, 10 км)
10GBase-ER (SMF, 40 км)
10GBase-LX4 (WDM, SMF 10 км, MMF 240-300 м)
10GBase-KR (для кросс-плат коммутаторов и
маршрутизаторов)

64. 10 Gigabit Ethernet

65. 10 Gigabit Ethernet