Технология Ethernet

Узел, ведущий передачу кадра, одновременно наблюдает за приемом. Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam-комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров.

Три фактора определяют работу CSMA/CD (см. лекцию 1): минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.

Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, - это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние (домен конфликта). Другими словами, мы имеем:

В традиционной Локальной сети Ethernet, минимальная длина кадра - 520 бит, скорость передачи - 10 Mбит/с, скорость распространения - почти равна скорости света, и домен конфликта - около 2500 метров.

показывает уровни Локальной сети Ethernet. Уровень звена передачи данных (канальный уровень) имеет два подуровня: подуровень управления логическим каналом связи (LLC - Logical Link Control) и подуровень управления доступом (MAC - Media Access Control). LLC-уровень ответственен за поток и контроль ошибок в уровне звена передачи данных (канальном уровне). Подуровень MAC ответственен за работу метода доступа CSMA/CD. Этот подуровень также создает данные, полученные от LLC-уровня, и передает кадры физическому уровню для кодирования. Физический уровень преобразует данные в электрические сигналы и посылает их следующей станции через среду передачи. Этот основной уровень также обнаруживает конфликты и сообщает о них уровню звена передачи данных (канальному уровню).

Кадр. В сети Ethernet имеется один тип кадра, содержащий семь полей: преамбула, начало кадра - SFD, адрес конечного пункта - DA, адрес источника - SA, длина/тип протокольной единицы - PDU и циклический избыточный код.

Локальная сеть Ethernet не обеспечивает механизма для подтверждения получения кадров. Подтверждение реализуется на более высоких уровнях. Формат кадра CSMA/CD MAC показан на рис 2.5.

Адресация. Каждая станция типа PC, рабочая станция или принтер на сети Локальной сети Ethernet имеет ее собственную сетевую интерфейсную карту (NIC - Network Interface Card). NIC размещается внутри станции и обеспечивает станцию 6-байтовым физическим адресом. Адрес Локальной сети Ethernet - 6 байтов (48 битов), он обычно записывается в шестнадцатеричной системе обозначений с дефисом, чтобы отделить байты, как показано ниже:

070102012C4B

Адреса в Локальной сети Ethernet передают байт за байтом, слева направо; однако для каждого байта самый младший бит передают первым, а самый старший бит - последним.

Есть три типа адресов в Локальной сети Ethernet: однонаправленный, групповая рассылка и передача. В однонаправленном адресе самый старший бит в начале байта - 0; в адресе групповой рассылки младший бит - 1. Широковещательный адрес - это поле 48 бит. Исходный адрес всегда однонаправленный. Адрес получателя может быть однонаправленным адресом (один единственный получатель), групповой рассылкой (группа получателей) или широковещательной передачей (все станции, подключенные к LAN).

Устройства подключения

Сегодня обычная сеть состоит из многих локальных сетей и одной или нескольких базовых. Поэтому в технологиях должны быть предусмотрены способы объединить эти сети. Инструментальные средства, предназначенные для этих целей, называются устройствами подключения.

В этом разделе мы обсуждаем пять видов устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы.

Ретрансляторы и концентраторы работают на первом уровне набора протокола TCP/IP. (Это сопоставимо с физическим уровнем модели OSI.) Мосты работают на первых двух уровнях. Маршрутизаторы работают на первых трех уровнях. Мы имеем два типа коммутаторов: первый тип - усложненный мост и второй - усложненный маршрутизатор. рис 2.6 показывает уровни, на которых работает каждое устройство.

Ретрансляторы

Для увеличения длины общей сети, состоящей из различных сегментов кабеля, используются ретрансляторы. Ретранслятор является устройством 1-го уровня и работает только на физическом уровне. Сигналы, которые переносят информацию в пределах сети, могут пройти фиксированное расстояние до того момента, когда затухание создаст угрозу целостности данных. Ретранслятор получает сигнал, и прежде чем он становится слишком слабым или искаженным, восстанавливает первоначальный образец бита. Затем он передает регенерированный сигнал. Ретранслятор может увеличить физическую длину сети, как показано на рис 2.7.

Он принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и улучшая форму импульсов. Применение ретранслятора вносит дополнительную задержку и ухудшает распознавание коллизии, поэтому их количество в сети Ethernet не должно превышать 4, при этом максимальная длина одного сегмента должна быть не более 500 метров, а диаметр всей сети - не более 2500 метров.

Заметим, что сеть, образованную с помощью ретрансляторов, все еще считают одной локальной сетью, но часть сети, разделенную ретрансляторами, называют сегментом. Ретранслятор действует как узел с двумя интерфейсами, но работает только на физическом уровне. Когда он получает пакет от любого из интерфейсов, он восстанавливает и передает его вперед к другому интерфейсу. Ретранслятор передает вперед каждый пакет, но не имеет никаких возможностей для выделения и перенаправления информации.

Концентраторы

Соединение узлов между собой осуществляется через центральное устройство - концентратор (рис 2.8), и это значительно устраняет недостатки предыдущих стандартов.

Хотя в общем смысле термин "концентратор" может применить к любому устройству подключения, в данном случае он имеет специальное значение. Концентратор - фактически многовходовой ретранслятор. Он обычно используется, чтобы создать соединение между станциями в физической звездной топологии.

Концентратор (Hub) является устройством 1-го уровня и осуществляет функции повторителя на всех отрезках витых пар между концентратором и узлом, за исключением того порта, с которого поступает сигнал. Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Кроме того, концентратор сам обнаруживает коллизию и посылает jam-последовательность на все свои выходы. Типовая емкость концентратора - от 8 до 72 портов.

Концентраторы могут также использоваться, чтобы размножать уровни иерархии, как показано на рис 2.9.

Концентраторы можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые используются для подключения узлов. Стандарт разрешает соединять концентраторы только в древовидные структуры, любые петли между портами концентратора запрещены. Для надежного распознавания коллизии между двумя любыми узлами должно быть не больше 4 концентраторов, при этом максимальная длина между концентраторами должна быть не более 100 метров, а диаметр всей сети - не более 500 метров.

Заметим, что сеть, построенная на основе концентраторов, рассматривается как одна единственная локальная сеть. Эта сеть представляется логической топологией типа "шина" (если станция передает пакет, он будет получен каждой другой станцией без переадресации). Иерархическое использование концентраторов устраняет ограничение длины 10BASE-T (100 метров).

Построение локальных сетей большой емкости только с помощью концентраторов приводит к возрастанию числа коллизий и снижению пропускной способности сети. Поэтому концентраторы используются для построения небольших фрагментов сетей, которые затем объединяются с помощью мостов и коммутаторов.

Мосты

), но, в отличие от повторителя, снабжен определенной логикой. Порт моста записывает все кадры, поступающие от узлов одного сегмента, в буферную память.

Мост работает и на физическом уровне, и на уровне звена передачи данных. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который получает. Как устройство уровня звена передачи данных, мост может проверить физический адрес (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Заметим, что мост, подобно ретранслятору, не имеет никакого физического адреса. Он действует только как фильтр, но не как исходный передатчик к конечному пункту назначения.

В исходном состоянии, когда состав сети неизвестен, мост ретранслирует буферизированные кадры, поступающие с одного порта, на другой порт по алгоритму CSMA/CD. Мосты "прозрачны" и распознаваемы; они могут быть легко установлены между двумя сегментами локальной сети (принцип "plug and play" - "включай и работай"Принцип, используемый в настоящее время для многих компонентов, когда программное обеспечение распознает вновь подключаемое оборудование и само включает его в работу или дает простые указания для подключения человеку. ). Таблица моста первоначально пуста, но как только мост получает и передает вперед пакет, он создает в своей таблице вход с исходным адресом и интерфейсом прибытия. С тех пор мост знает, от кого поступает каждый пакет, к какому пункту назначения, от какого интерфейса. Мост также делает запись информации о пункте назначения, используя информацию, содержащуюся в пакете. Мы делаем нечто подобное, когда отвечаем по почте (или электронной почте). По истечении некоторого времени мост составит следующую таблицу (табл. 2.1)

Если теперь мост получает кадр от узла 1, направленный к узлу $$N$$ ( рис 2.11), то он по свой таблице определяет, что нужно ретранслировать кадр из буфера порта 1 в порт 2. Если же мост получает кадр от узла 2, направленный к узлу $$Х$$, то он по своей таблице определяет, что узлы находятся в одном сегменте, и стирает кадр в буферной памяти порта 1.

Записи в таблице, произведенные мостом, являются динамическими. По истечении определенного времени, если мост не принял ни одного кадра от какого-то узла, такая запись стирается. Процедура ограниченного хранения записанных данных называется кэшированием и предохраняет таблицу от переполнения при удалении узла из сети или при перемещении узла из одного сегмента в другой. Записи, внесенные в таблицу администратором, называются статическими и не имеют срока жизни, они дают возможность администратору при необходимости принудительно подправлять работу моста.

Коммутатор (Switch)

Термин "коммутатор" может означать две различных вещи. Мы должны уточнять информацию об уровне, на котором устройство работает. Мы можем иметь коммутатор уровня два или коммутатор уровня три. Кратко обсудим каждый.

Коммутатор уровня два

Коммутатор уровня два - мост со многими интерфейсами, который позволяет лучше (более быстро) распределять информацию. Мост с несколькими интерфейсами может подключить несколько сегментов LAN вместе. Мост со многими интерфейсами может распределить информацию каждой станции к каждой станции на одном и том же сегменте. Далее мы используем термин "мост" для коммутатора уровня 2.

Коммутатор уровня три

Коммутатор уровня три - маршрутизатор. Коммутатор уровня три может получить, обработать и послать пакет намного быстрее, чем традиционный маршрутизатор, даже при том, что функциональные возможности у них одни и те же. Мы используем термин "маршрутизатор" для коммутатора уровня три.

Коммутатор (Switch) использует топологию типа "звезда", является устройством 2-го уровня и функционально представляет собой многопортовый мост, к каждому порту которого может быть подключен отдельный хост, концентратор, сервер или маршрутизатор (рис 2.12). Каждый порт коммутатора оснащен процессором обработки пакетов (Пр.), который может работать как в полудуплексном, так и в дуплексном режиме.

При подключении к порту коммутатора отдельного узла (компьютера или маршрутизатора) порт коммутатора устанавливается в дуплексный режим, а в узел ставится сетевая карта с подавлением коллизий. За счет этого узел и коммутатор имеют возможность одновременной передачи и приема пакетов. При подключении к порту коммутатора концентратора порт коммутатора устанавливается в полудуплексный режим.

Для коммутации кадров между портами используется коммутационная матрица (Мх). Аналогично мосту каждый порт ведет адресную таблицу МАС-адресов подключенных к нему устройств и сообщает о ней центральному процессору (ЦПР). После приема начальных бит кадра входной процессор анализирует адрес назначения и пытается установить соединение через коммутационную матрицу, не дожидаясь прихода оставшихся бит кадра. Для этого он обращается к ЦПР с заявкой на установление пути в коммутационной матрице. ЦПР имеет адресную таблицу и может осуществить запрашиваемое соединение, если порт назначения свободен, т.е. не соединен с другим портом. Если же порт занят, то ЦПР в соединении отказывает, и кадр продолжает буферизироваться процессором входного порта до освобождения выходного порта. После того как требуемый путь в коммутационной матрице установлен, по нему направляются кадры в выходной порт, где они повторно буферизируются на случай разной скорости коммутируемых портов. Процессор выходного порта по значению контрольной суммы (FCS) опционально может проверить целостность принятого кадра и начинает передавать по сегменту Ethernet принятый кадр.

Из-­за наличия множества портов коммутатор обладает существенно более высокой производительностью за счет параллельной обработки кадров. Если потоки данных между портами распределяются, не конфликтуя между собой, т.е. соединения вида "входной порт - выходной порт" образуют независимые пары, то коммутатор емкостью $$N$$ портов может одновременно обслуживать $$N/2$$ полудуплексных соединений или $$N$$ дуплексных соединений.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор - устройство с тремя уровнями; он работает на физическом уровне, уровне звена передачи данных и сетевом уровне. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который он получает. Как устройство уровня звена передачи данных, маршрутизатор проверяет физические адреса (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Как устройство сетевого уровня, маршрутизатор проверяет адреса сетевого уровня (адреса в уровне IP).

Маршрутизатор может: соединять локальные сети; соединять вместе сети общего назначения; подключить локальные сети к сетям общего назначения. Другими словами, маршрутизатор - устройство межсетевого обмена; он соединяет вместе независимые сети, чтобы формировать сеть Internet. Согласно этому определению, сети, соединяемые маршрутизатором, становятся Internet-сетью, или Internet.

Есть три главных отличия между маршрутизатором и ретранслятором или мостом:

Рассмотрим пример. На рис 2.13, мы показываем две сети LAN, разделенных маршрутизатором. Левая LAN имеет два сегмента, отделенные мостом. Маршрутизатор изменяет источник и адреса получателя пакета. Когда пакет перемещается в левую LAN, его исходный адрес - это адрес передающей станции; его адрес получателя - это адрес маршрутизатора. Когда тот же самый пакета перемещается во вторую LAN, его исходный адрес - адрес маршрутизатора, и его адрес получателя - адрес заключительного пункта назначения.

Маршрутизаторы направляют пакеты среди множества связанных сетей. Они направляют пакеты от одной сети до любого множества потенциальных сетей пункта назначения на Internet.

Маршрутизаторы действуют на сети подобно станциям. Но в отличие от большинства станций, которые включаются только в одну сеть, маршрутизаторы адресуются и подключены к двум или более сетям.

О маршрутизаторах и процедуре маршрутизации более подробно можно будет узнать в главах, посвященных сети Интернет.

Реализация

Стандарты определяют несколько реализаций для традиционного Internet. В зависимости от типа физической среды имеются различные стандарты:

Число 10 обозначает скорость передачи 10 Мбит/с, Base - передачу на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ обозначает тип кабеля (5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, 2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, Т (twisted pair) - неэкранированная витая пара, FL (fiber link) - оптический кабель.

Быстрая Локальная сеть Ethernet

Потребность в более высокой скорости данных создала Быстрый протокол Локальной сети Ethernet (100 Mbps). На уровне MAC Быстрая Локальная сеть Ethernet использует те же самые принципы, что и традиционная Локальная сеть Ethernet (CSMA/CD), за исключением того, что скорость передачи была увеличена от 10 Mbps до 100 Mbps. Чтобы CSMA/CD работала, есть две возможности: либо увеличить минимальную длину кадра, либо уменьшить домен коллизии (скорость света не может быть изменена).

Увеличение минимальной длины кадра требует дополнительного заголовка. Если данные, которые будут посланы, недостаточно длинны, мы должны будем добавить дополнительные байты, что влечет за собой увеличение передаваемой служебной информации и потерю эффективности.

Быстрая Локальная сеть Ethernet выбрала другой путь: домен коллизии был уменьшен с коэффициентом 10 (от 2500 метров до 250 метров). Эта звездная топология 250 метров приемлема во многих случаях. На физическом уровне Быстрая Локальная сеть Ethernet использует различные методы передачи сигналов и различные среды для того, чтобы достигнуть скорости передачи данных 100 Mbps.

Реализация Быстрой Локальной сети Ethernet

Быстрая Локальная сеть Ethernet может быть разбита на категории реализации либо по двухпроводной линии, либо по четырехпроводной. Двухпроводная реализация названа 100BASE-X, или реализация кабелем с витыми парами (100BASE-TX), или реализация кабелем с оптическим волокном (100BASE-FX). Реализация четырехпроводной линией разработана только для кабеля с витыми парами (100BASE-T4). Другими словами, мы имеем три реализации: 100BASE-TX, 100BASE-FX, и 100BASE-T4 (см. рис. 3.6 курса "Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети").

Гигабитовая Локальная сеть Ethernet

Потребность в скорости передачи данных выше, чем 100 Mbps, в результате породила протокол Гигабитной Локальной сети Ethernet (1000 Mbps). Чтобы достигнуть этой скорости передачи данных, уровень MAC (управления средой доступа) имеет два варианта: сохранение CSMA/CD или отказ от него. Как и прежде, эти варианты конструкции должны либо уменьшить домен конфликта, либо увеличить минимальную длину кадра. Так как домен конфликта 25 метров недопустим, минимальная длина кадра увеличена очень изящным способом.

Во втором варианте - отказ от использования CSMA/CD - каждая станция соединена двумя отдельными путями с центральным концентратором (hub). Это называется Дуплексной Локальной сетью Ethernet без конфликтов и не нуждается ни в каком CSMA/CD/.

На физическом уровне было сделано много изменений, чтобы позволить передавать данные на этой скорости.

Реализации Гигабитной Локальной сети Ethernet

Локальная Гигабитная сеть Ethernet может быть классифицирована по реализации либо как двухпроводная линия, либо как четырехпроводная. Двухпроводная линия названа 1000BASE-X и может быть реализована с оптическими волокнами, передающими лазерные коротковолновые сигналы (1000BASE-SX); с оптическими волокнами, передающими длинноволновые лазерные сигналы волны (1000BASE-LX); с защищенной витой парой, передающей электрические сигналы (1000BASE -CX). Четырехпроводная версия использует кабели c витыми парами (1000BASE-T).

Технология Token Ring

), но в отличие от Ethernet применяет не случайный, а детерминированный доступ (см. лекцию 1). Право на доступ передается от одного узла к другому в виде специального кадра, называемым маркером (Token). Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Скорость передачи кадров по кольцу может быть 4 или 16 Мбит/с, смешение скоростей в одном кольце не допускается. В качестве физической среды может использоваться витая пара или оптоволоконный кабель. Максимальное число узлов в кольце - 260, максимальная длина кольца - 4000 метров.

Кольцевая сеть с маркерным доступом

Эта сеть использует для доступа к сети маркер. Прохождение маркера иллюстрируется на рис 2.15. Всякий раз, когда сеть не занята, циркулирует простой 3-байтовый маркер. Его передают от станции к станции, пока он не встретится со станцией, имеющей данные для передачи. Станция сохраняет маркер и посылает кадр данных. Этот кадр имеет адрес назначения и адрес источника. Он обрабатывается по кольцу и регенерируется каждой станцией. Каждая станция проверяет адрес пункта назначения и если находит, что кадр адресован другой станции, ретранслирует его соседней. Назначенный заранее получатель распознает свой собственный адрес, копирует сообщение в буфер, проверяет ошибки и заменяет 4 бита в последнем байте кадра для того, чтобы показать, что адрес опознан и кадр скопирован. Полезный пакет затем продолжает передаваться по кругу, пока не вернется к станции, с которой он послан. Узел, инициировавший передачу кадра, получив подтверждающий кадр, изымает его из кольца и передает маркер следующему узлу. Каждый узел следит за временем удержания маркера, которое обычно равно 10 мс. За это время узел может передать несколько кадров.

При первоначальном включении все станции начинают процедуру выбора активного узла, критерием которого является узел с максимальным значением МАС-адреса. В дальнейшем этот узел каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия и восстанавливает маркер в случае его утери. В случае отключения какого-либо узла от сети или пропадания питания на узле релейные схемы этого порта замыкают накоротко его передатчик (T) с приемником (R), обеспечивая неразрывность кольца.

Уровни

Кольцевая сеть с маркерным доступом использует те же самые два уровня, что и Ethernet. Уровень звена данных разделяется на два подуровня: управления логической связью (LLC - Logical Link Control) и управления средой доступа (MAC - Media Access Control). LLC здесь играет ту же роль, что и в Ethernet. Подуровень MAC несет ответственность за передачу маркера и операции резервирования. Он также ответственен за создание кадра и его доставку физическому уровню.

Кадр

Сеть с маркерным доступом определяет три типа кадров: данные, маркер и прерывание.

показывает формат кадра данных.

Ниже дается описание каждого поля в кадре:

Кадр маркера. Поскольку маркер реально заполняет место и кадр резервирования, он имеет только три поля: разделитель старта (SD), разделитель управления доступом AC и разделитель окончания. Поле SD указывает, что кадр поступил. Поле AC указывает, что кадр - маркер, и включает поля резервирования и приоритет. Поле ED указывает конец кадра.

Кадр прерывания. Прерывание не несет вообще никакой информации - только разделитель (SD) старта и окончание. Он может быть передан любым передатчиком при остановке своей собственной передачи (по любой причине) или монитором, чтобы произвести чистку информации старой передачи на линии.

Адресация. Так же как и большинство реализаций локальной сети Ethernet, кольцевая сеть с маркерным доступом использует 6-байтовый адрес. Механизм адресации тот же самый, что у локальной сети Ethernet, за исключением того, что кольцевая сеть с маркерным доступом сначала передает самый старший бит каждого байта.

). Один MAU может обеспечить работу до восьми станций.

MAU могут быть объединены, чтобы создать большее кольцо.

Краткие итоги