3. Локальные сети Ethernet (1)

1.

Лекция № 3
ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ ETHERNET

2.

План лекции
• История развития и виды Ethernet
• Стандарты физического уровня
• Топология Ethernet
• Адресация Ethernet
• Форматы кадров Ethernet
• Ethernet на разделяемой среде
• Коммутируемые сети Ethernet
• Скоростные версии (стандарты) Ethernet

3.

История развития Ethernet
• Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 г.
Именно тогда Роберт Меткалф и Дэвид Боггс
опубликовали описание экспериментальной сети,
построенной ими в Исследовательском центре Xerox.
Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и
обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с.

4.

Разделяемая среда
в топологии «общая шина»
• Первая версия технологии Ethernet на разделяемой
среде использовала топологию «общая шина».
• Роль разделяемой среды исполнял коаксиальный
кабель, к которому определенным образом (с помощью
Т-коннекторов) присоединялись узлы сети.
• Первая полноценная коммерческая версия Ethernet со
скоростью работы 10 Мбит/с появилась в начале 1980-х
годов и быстро получила распространение.

5.

Разделяемая среда в кольцевых
и звездообразных топологиях
• По мере дальнейшего развития Ethernet произошел отказ
от коаксиального кабеля и переход на витую пару,
работающую в дуплексном режиме передачи.
• При этом изменилась топология: вместо общей шины
возникла «звезда», в центре которой появилось
специальное устройство – концентратор (хаб).
• Хаб представлял собой ту же разделяемую среду, но уже
внутри отдельного устройства.

6.

Концентратор (хаб)
• Концентратор – устройство с большим количеством
портов, обычно от 4-х до 32-х.
• Концентратор работает на первом уровне модели OSI.
• Концентратор не способен анализировать отдельные биты
данных и не понимает смысл передаваемой информации.
• Концентратор не способен одновременно обрабатывать
данные на разных интерфейсах.

7.

Иерархическое соединение хабов
• Следующим шагом вперед стало использование большого
количества хабов, соединенных друг с другом
иерархическим образом. Так возникла топология
«дерево».
• Наконец, уже в 1990-е годы, произошла постепенная
замена хабов на коммутаторы. Это ознаменовало собой
полный отказ от разделяемой среды и появление
коммутируемых сетей.

8.

Виды Ethernet
• Две принципиально разные технологии Ethernet:
– Ethernet на разделяемой среде,
– коммутируемые сети Ethernet.
• Эти технологии появились в разное время, у них
достаточно много отличий, но есть и много общего.
• Поэтому сначала рассмотрим то общее, что есть у
них, а затем более детально разберем каждую из
них по отдельности.

9.

Стандартизация протоколов
локальных сетей
• Любая локальносетевая технология реализует два
нижних уровня модели OSI: физический и канальный.
• В свою очередь канальный уровень включает в себя:
– подуровень LLC и подуровень MAC.
• По мере своего развития эти реализации могут
претерпевать существенные изменения, в том числе
усилиями частных производителей сетевого
оборудования.
• Поэтому наиболее важные технологии, а также их
конкретные реализации, оформляются комитетом
802 института по стандартизации IEEE в виде тех или
иных технологических стандартов семейства 802.х.

10.

Структура стандартов 802.х

11.

Стандарты физического уровня
• При первоначальной стандартизации технологии
Ethernet рабочей группой IEEE 802.3 был выбран
вариант Ethernet на «толстом» коаксиальном
кабеле, который получил название 10Base-5.
• В качества метода кодирования сигналов был
выбран манчестерский код.
• Затем сети Ethernet на «толстом» коаксиальном
кабеле были вытеснены сетями на более «тонком»
коаксиале (диаметром 0,25 дюйма, что отражает
название 10Base-2 этого стандарта), который
позволял строить сети более экономичным
способом.

12.

Стандарты физического уровня
на коаксиальном кабеле

13.

Стандарты физического уровня
на витой паре

14.

Стандарты физического уровня
на волоконно-оптическом кабеле

15.

Топология Ethernet
• Хронологически первая – общая шина (на разделяемой
среде).
• Физическая – звезда, а логическая – общая шина (на
разделяемой среде, с хабом).
• Иерархическая звезда (на разделяемой среде, с
несколькими хабами).
• Звезда (с коммутатором).
• Иерархическая звезда, или дерево (с несколькими
коммутаторами).
• Смешанная (современные сети).

16.

Адресация Ethernet
• На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и
передачу кадра, для идентификации сетевых
интерфейсов узлов сети используются уникальные 6байтовые адреса, называемые МАС-адресами.
• Обычно МАС-адрес записывают в виде шести пар
шестнадцатеричных цифр, разделенных дефисами или
двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01.
• Каждый сетевой адаптер имеет по крайней мере один
МАС-адрес.
• Помимо отдельных интерфейсов МАС-адрес может
определять группу интерфейсов или даже все
интерфейсы сети.

17.

Структура MAC-адреса
• Комитет IEEE распределяет между производителями
сетевого оборудования так называемые уникальные
идентификаторы производителей (Organizationally Unique
Identifier, OUI).
• Каждый производитель помещает выделенный ему
идентификатор в три старших байта адреса.
• За уникальность младших трех байтов адреса отвечает
производитель сетевого оборудования.

18.

Классификационные биты MAC-адреса
• Первый (младший) бит старшего байта – это признак того,
является адрес индивидуальным или групповым.
– Если он равен 0, то адрес является индивидуальным, то есть
идентифицирует один сетевой интерфейс,
– если он равен 1, то адрес является групповым. Групповой адрес
связан только с интерфейсами, сконфигурированными как члены
группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой
интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАСадресом с ним ассоциируется еще один адрес — групповой.
• Второй бит старшего байта адреса определяет способ
назначения адреса — централизованный или локальный. Если
этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной
аппаратуре Ethernet), это говорит о том, что адрес назначен
централизованно.
• Если адрес состоит из всех единиц, то есть имеет
шестнадцатеричное представление OxFFFFFFFFFFFF, он
идентифицирует все узлы сети и называется
широковещательным.

19.

Классификация MAC-адресов
• MAC-адреса бывают следующих типов:
– уникальные (unicast),
– широковещательные (broadcast),
– групповые (anycast).
• В зависимости от типа адреса выделяют:
– одноадресную передачу,
– широковещательную рассылку,
– многоадресную передачу.

20.

Одноадресная передача по
уникальному адресу

21.

Широковещательная рассылка

22.

Многоадресная передача по
групповому адресу

23.

Как узнать ваш MAC-адрес?
• ipconfig /all или getmac (Windows)
• ifconfig или ip link (Linux)

24.

Форматы кадров Ethernet
• Наиболее известны два формата кадра Ethernet:
– Ethernet DIX (II),
– IEEE 802.3/LLC.
• Кадр Ethernet DIX (II) не отражает разделения
канального уровня Ethernet на уровни MAC и LLC: его
поля поддерживают функции обоих уровней.
• Кадр 802.3/LLC является стандартом комитета IEEE 802 и
построен в соответствии с принятым разбиением
функций канального уровня на уровни MAC и LLC.
• На практике в оборудовании Ethernet используется
только один формат кадра, а именно — кадр Ethernet
DIX, который часто называют кадром Ethernet II по
номеру последнего стандарта DIX.

25.

Форматы кадров Ethernet

26.

Кадр Ethernet II

27.

Структура кадра Ethernet II
• D.MAC (Destination Address) — МАС-адрес узла назначения.
• S.MAC (Source Address) — МАС-адрес узла отправителя. Для
доставки кадра достаточно одного адреса — адреса
назначения; адрес отправителя помещается в кадр для того,
чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому
нужно на него ответить.
• Тип (Туре, или EtherType) содержит условный код протокола
верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных
кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00
соответствует протоколу IP.
• Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина
пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле
дополняется до минимального размера байтами заполнения.
• Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check
Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это
значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

28.

Ethernet на разделяемой среде
• Спецификой этой ранней технологии
является использование разделяемой
среды, поэтому важную роль играет метод
доступа к ней.
• Разделяемая среда неизбежно порождает
коллизии, поэтому необходимо
рассмотреть средства обнаружения и
борьбы с коллизиями.

29.

Доступ к среде и передача данных
• В технологии Ethernet на разделяемой среде
используется метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection) – прослушивание
несущей частоты с множественным доступом и
распознаванием коллизий.
• Все компьютеры в сети на разделяемой среде имеют
возможность получить данные, которые любой из
компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят,
что среда, к которой подключены все станции, работает
в режиме коллективного доступа (Multiply Access, МА).
• Чтобы получить возможность передавать кадр,
интерфейс-отправитель должен убедиться, что
разделяемая среда свободна. Это достигается
прослушиванием основной гармоники сигнала, которая
еще называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).

30.

Доступ к среде и передача данных
• Признаком «незанятости» среды является отсутствие на
ней несущей частоты, которая при манчестерском
способе кодирования равна 5-10 МГц в зависимости от
последовательности единиц и нулей, передаваемых в
данный момент.
• Если среда свободна, то узел имеет право начать
передачу кадра. Кадр данных всегда сопровождается
преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из
которых имеет значение 10101010, и 8-го байта, равного
10101011.
• Последний байт носит название ограничителя начала
кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в
побитовую и побайтовую синхронизацию с
передатчиком. Наличие двух последовательных говорит
приемнику о том, что преамбула закончилась и
следующий бит является началом кадра.

31.

Доступ к среде и передача данных

32.

Межпакетный интервал и коллизии
• После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны
выдержать технологическую паузу, равную
межпакетному интервалу (9,6 мкс).
• Механизм прослушивания среды и пауза между
кадрами не гарантируют исключения ситуации, когда
две или более станции одновременно решают, что
среда свободна, и начинают передавать свои кадры.
• Говорят, что при этом происходит коллизия, так как
содержимое обоих кадров сталкивается в общем
кабеле и происходит искажение информации.
• Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей
Ethernet на разделяемой среде. Возникновение
коллизии является следствием распределения узлов
сети в пространстве.

33.

Возникновение и распространение
коллизии

34.

Механизмы борьбы с коллизиями
• Чтобы корректно обработать коллизию, все станции
одновременно наблюдают за возникающими на кабеле
сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые
сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения
коллизии (Collision Detection, CD).
• Для борьбы с коллизиями в Ethernet используется
усеченный экспоненциальный двоичный алгоритм
отсрочки.
• Все параметры протокола Ethernet, в том числе
минимальный размер кадра, подобраны таким
образом, чтобы при нормальной работе сети коллизии
четко распознавались.

35.

Недостатки технологии Ethernet
на разделяемой среде
• Оценивая перспективы той или иной сетевой
технологии, принято использовать два важных понятия:
расширяемость и масштабируемость.
• Расширяемость – показатель того, насколько просто
добавлять в сеть новые узлы. Если это делать просто, то
говорят о хорошей расширяемости.
• Масштабируемость – показатель того, насколько
добавление новых узлов ухудшает (замедляет) работу
сети в целом. Если замедление незначительное, то
говорят о хорошей масштабируемости.
• Технологии Ethernet на разделяемой среде отличается
хорошей расширяемостью, но очень плохой
масштабируемостью. Со временем это привело к
отказу от разделяемой среды и переходу к
коммутируемым сетям Ethernet.

36.

Мосты и сегменты сети Ethernet

37.

Мост (LAN-бридж)
• Мост – устройство с двумя портами.
• Мост работает на втором (канальном) уровне модели
OSI.
• Мост способен анализировать заголовки пакетов
второго уровня (кадров) и по-разному их
обрабатывать.
• К настоящему моменту мосты не используются в
компьютерных сетях, будучи вытесненными другими
устройствами.

38.

Принцип работы прозрачного моста

39.

Адресные (коммутационные) таблицы
• Входы адресной таблицы могут быть динамическими,
создаваемыми в процессе самообучения моста, и
статическими, создаваемыми вручную администратором сети.
• Статические записи не имеют срока жизни, что дает
администратору возможность влиять на работу моста,
например ограничивая передачу кадров с определенными
адресами из одного сегмента в другой.
• Динамические записи имеют срок жизни — при создании или
обновлении записи в адресной таблице с ней связывается
отметка времени. По истечении определенного тайм-аута
запись помечается как недействительная, если за это время
мост не принял ни одного кадра с данным адресом в поле
адреса источника. Это дает возможность мосту автоматически
реагировать на перемещения компьютера из сегмента в
сегмент — при его отключении от старого сегмента запись о
принадлежности компьютера к этому сегменту со временем
вычеркивается из адресной таблицы.

40.

Широковещательный шторм
• Кадры с широковещательными и групповыми МАС-адресами,
как и кадры с неизвестными адресами назначения, передаются
мостом на все его порты. Такой режим распространения кадров
называется затоплением сети (flooding).
• Наличие мостов в сети не препятствует распространению
широковещательных и групповых кадров по всем сегментам
сети. Однако это является достоинством только тогда, когда
такой адрес выработан корректно работающим узлом.
• Нередко в результате каких-либо программных или аппаратных
сбоев протокол верхнего уровня или сетевой адаптер начинает
работать некорректно, а именно постоянно с высокой
интенсивностью генерировать кадры с широковещательным
адресом.
• Мост в соответствии со своим алгоритмом передает
ошибочный трафик во все сегменты. Такая ситуация называется
широковещательным штормом (broadcast storm).

41.

Структура моста / коммутатора

42.

Коммутатор (свитч)
• Коммутатор – устройство с большим количеством портов,
обычно от 4 до 32-х портов.
• Коммутатор работает на втором (канальном) уровне
модели OSI.
• Коммутатор способен анализировать заголовки пакетов
второго уровня (кадров) и по-разному их обрабатывать.
• Коммутатор способен одновременно обрабатывать данные
на разных интерфейсах (параллельная коммутация).
• Коммутатор – мультипроцессорный мост, что обеспечивает
гораздо более высокую скорость его работы.

43.

Параллельная коммутация

44.

Топологические ограничения (петли)

45.

Топологические ограничения (петли)
• Наличие петель порождает ряд проблем:
– «размножение» кадра, то есть появление нескольких его
копий (в данном случае – двух).
– бесконечная циркуляция обеих копий кадра по петле в
противоположных направлениях, а значит, засорение сети
ненужным трафиком.
– постоянная перестройка мостами своих адресных таблиц,
так как кадр с одним и тем же адресом источника будет
появляться то на одном порту, то на другом.
• В больших сетях со сложными связями используются
алгоритмы, которые позволяют решать задачу
обнаружения петель автоматически.
• Наиболее известным из них является стандартный
алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree
Algorithm, STA), который реализуется в протоколе STP
(Spanning Tree Protocol) и его модификациях.

46.

Полностью коммутируемая
сеть Ethernet

47.

Дальнейшее развитие Ethernet
• По мере вытеснения хабов и замены их на коммутаторы
в сетях доступа появились полностью коммутируемые
сети Ethernet.
• При этом корпоративные отделы могли соответствовать
бывшим сегментам сети (на разделяемой среде), а
теперь сегментам с одним или несколькими
коммутаторами.
• Но более гибким решением стало появление и широкое
распространение технологии виртуальных локальных
сетей VLAN.
• Идея этой технологии в том, чтобы ограничивать и
балансировать трафик внутри корпоративной сети без
изменения ее физической топологии.

48.

Скоростные версии Ethernet
• Скорость 10 Мбит/с долгое время удовлетворяла потребности
пользователей локальных сетей. Однако в начале 1990-х годов
начала ощущаться недостаточная пропускная способность
Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно
меньше скорости внутренней шины компьютера. Тогда же
начали появляться новые мультимедийные приложения,
гораздо более требовательные к скорости сети.
• В поисках решения проблемы ведущие производители сетевого
оборудования начали интенсивные работы по повышению
скорости Ethernet при сохранении главного достоинства этой
технологии — простоты и невысокой стоимости оборудования.
• Результатом стало появление новых скоростных стандартов
Ethernet:
– Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с),
– Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с),
– 10G Ethernet (10 Гбит/с),
– 100G Ethernet (100 Гбит/с).

49.

Fast Ethernet (1995)
• Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet
проявляются только на физическом уровне:
– Вместо коаксиального кабеля появились более
скоростные кабели: витая пара (сначала 3, а затем 5
категории) и волоконно-оптический кабель.
– Вместо манчестерского кода был внедрен метод
кодирования 4B/5B, причем его запрещенные
комбинации стали использоваться вместо
межпакетных интервалов.
– Стали использоваться методы физического
кодирования NRZI и MLT-3.
– Внедрена схема автопереговоров для согласования
выгодного режима передачи кадров.

50.

Gigabit Ethernet (1998)
• По мере внедрения технология Fast Ethernet в сетях доступа
появилась необходимость в еще более скоростной передачи
данных в магистральных сетях.
• Для решения сложной задачи по достижению скорости в 1 Гбит/с
пришлось внести изменения не только в физический уровень, но
и в уровень MAC:
– Минимальный размер кадра был увеличен с 64 до 512 байт, что
позволило выдержать допустимый диаметр сети около 200 м при
нужной скорости передачи.
– Конечным узлам разрешено передавать несколько кадров подряд
без возвращения среды другим станциям. Такой режим получил
название режима пульсаций.
– Внедрена параллельная передача по всем четырем парам кабеля с
использованием кода PAM 5.
– Разработана техника выделения принимаемого дуплексного
сигнала с использованием специальных процессоров цифровой
обработки сигналов.
– Расширена процедура автопереговоров, включая дуплекс и
полудуплекс на 1 Гбит/с.

51.

10G Ethernet (2002)
• Стандарт 10G Ethernet определяет только дуплексный режим
работы, поэтому он используется исключительно в
коммутируемых (также магистральных) сетях.
• Для еще десятикратного роста скорости пришлось также внести
ряд изменений в физический уровень и уровень MAC:
– В качестве среды передачи данных осталось только
усовершенствованный волоконно-оптический кабель.
– Для взаимодействия физического уровня с уровнем МАС внедрен
новый интерфейс XGMII (extended Gigabit Medium Independent
Interface, расширенный интерфейс независимого доступа к
гигабитной среде).
– Интерфейс XGMII стал предусматривать параллельный обмен
четырьмя байтами, образующими четыре потока данных.
– Внедрены различные стандарты со схемами кодирования 8B/10B и
64B/66B.
• Впоследствии (2006) принята спецификация на витой паре
категории 6 или 6а с ограничением по длине 55 или 100 метров.

52.

Дальнейшая программа
• Беспроводные локальные сети IEEE 802.11 (Wi-Fi)
(семинар № 7)
• Персональные сети и технология Bluetooth (семинар № 8)
• Глобальные сети (следующая лекция)
• Протокол ARP (семинар № 9)
• Система DNS (семинар № 10)